超前深孔預裂爆破弱化頂板技術在西銘礦的應用

摘 要：以西銘礦21303綜采工作面為研究背景，針對該工作面采空區頂板管理難度較大，不易冒落以及礦壓顯現明顯等難題，通過理論分析以及對超前深孔爆破參數的深入研究，最終合理確定爆破循環步距，實現厚硬頂板超前預裂爆破弱化，由難冒頂板向可冒或易冒頂板轉變，有效降低頂板的周期垮落步距，達到順利回采的目的。

關鍵詞：頂板;深孔預裂爆破;弱化

Abstract：Taking 21303 fully mechanized working face of Malan Coal Mine as the research background， aiming at the problems of roof management in goaf of Ximing coal mine， such as difficult roof management， difficult caving and obvious ground pressure behavior， through theoretical analysis and in-depth study of advanced deep hole blasting parameters， the blasting cycle distance is finally determined reasonably， realizing the weakening of thick and hard roof pre splitting blasting， from difficult roof falling to caving or easy caving Roof transformation can effectively reduce the periodic caving step distance of roof， and achieve the purpose of smooth mining.

Key words：roof;deep hole presplitting blasting;weakening

0 引言

煤炭開采過程中，頂板的復雜程度往往超出想象，當遇到采空區有厚硬頂板時，通常會出現大面積懸頂，厚硬頂板具有較高的抗拉強度和彈性模量，較難垮落，如果任其發展不加控制，懸頂面積會不斷增加，此時一旦垮落，極易造成較大事故。

如何有效控制厚硬頂板是圍巖控制的一項核心內容。對于頂板弱化技術，應用較為廣泛的有高壓注水弱化頂板技術，一是通過高壓水達到對頂板壓裂的效果，二是通過注水改變巖石內部的結構強度和變形特征，進而改變巖石的強度;超前深孔預裂爆破弱化技術，通過對采煤工作面前方的堅硬頂板內鉆深孔，裝藥后進行松動爆破，達到未受采動影響的原巖體內部在爆破后預裂形成破碎區和裂隙區，最終達到強制放頂的目的。經過分析比較，最終西銘礦21303綜采工作面決定采用超前深孔預裂爆破弱化技術進行頂板的管理控制[3-4]。

1 工作面地質條件

西銘礦21303綜采工作面是21302的接替工作面，機巷走向長度985m，風巷走向長度990m，切眼長度195m，平均煤層厚度4.16m。

本工作面回采煤層為8#煤層，頂板多為深灰色泥巖、砂質泥巖、粉砂巖及細中粒砂巖，最大厚度能夠達到9.87m;底板為灰--深灰色泥巖，灰褐色含鋁質泥巖，厚度1.2～16.3m，偽底多為炭質泥巖，一般2～3m。工作面煤層賦存穩定，煤層傾角為2～5°，本工作面8#煤層為較穩定煤層，煤層頂底板情況如表1所示：

2 厚硬頂板破斷規律分析

西銘礦21303綜采工作面頂板屬于厚硬頂板，厚度大于8m，堅固系數大于7，不僅具有較大的抗拉強度，抗剪強度也較大，因此容易形成大面積懸頂。通過對21303工作周期來壓的觀測，可知：小周期來壓步距平均為24m，大周期來壓步距平均為213m。

在工作面回采過程中，采空區懸露頂板在兩側煤柱及前方未開采煤層的共同支撐作用下，形成了一個頂、底、煤層三者彼此支撐的統一整體，此時將采空區垮落前的頂板近似看做懸臂梁，同時假設為連續的彈性介質，那么在工作面持續向前推進的過程中，隨著一端支點支撐作用的減弱，頂板逐漸失去支撐，隨后發生垮落。懸臂梁模型如圖1所示：

其中：q-均布載荷;h-巖梁厚度;2W-頂板巖層自重;l-懸梁跨度一般長度。

初次來壓步距較大時，隨工作面推進，頂板跨度不斷增加，固支梁兩端彎矩增大，此時固支端上表面的拉應力超過了巖石的抗拉強度極限，工作面支撐壓力急劇增大，基本頂底部采場中部范圍巖層處于塑性拉伸破壞狀態，導致基本頂發生破斷，當懸臂梁長度越大時，工作面支架承受的附加載荷越大，頂板積聚的能量也越大，此時發生沖擊危險性就越大。

3 超前深孔預裂爆破基本原理及參數設計

3.1 超前深孔預裂爆破基本原理

超前深孔預裂爆破，就是炸藥在炮孔內發生反應產生沖擊波，伴隨大量高溫高壓爆炸氣體在半無限介質中傳播的過程。當爆炸產生的氣體壓力大于介質的動抗壓強度，那么炮孔周圍的介質在壓力作用下被壓縮并發生破碎，除抵抗動抗壓強度外的其余沖擊波會以應力波的形式繼續向介質內部擴散。在應力波的作用下，在靠近壓縮區域的介質中會產生兩種變形，即徑向壓縮和切向拉伸，徑向裂隙的產生原因就在于切向拉伸應力大于動抗壓強度，隨著應力波的衰減，裂隙停止擴展。爆生氣體總是與應力波相伴而行，緊隨其后，迅速膨脹擴散進入徑向裂隙中，在爆生氣體尖劈作用下，裂隙得以迅速擴展，同時爆生氣體會楔入裂隙的空腔腔壁上，其產生的準靜態應力場能夠導致裂隙尖端產生集中應力，在爆生氣體驅動下，使得裂隙始終朝著應力較低的方向擴展。

3.2 炮孔布置方式及參數設計

炮孔布置方式取決于老頂巖層的厚度以及高度、工作面傾角及傾斜長度、初次來壓及周期來壓步距的大小、炸藥爆破性等多種因素。西銘礦21303工作面將采用雙向鉆孔法的深孔炮孔布置方式，分別在進風巷與回風巷處向頂板鉆取深孔，布置方式如圖2所示：

炮孔參數設計：

對于超前深孔預裂爆破而言，依據以往經驗可知：大孔徑深孔爆破效果往往優于小孔徑，因此決定將炮孔直徑設計為75mm。

炮孔間距的確定需要依據斷裂力學，當炮孔與工作面平行時，可知炮孔間距公式為：

其中：K代表調整系數，一般取為18;rb代表炮孔半徑;f代表巖石普氏系數，取為9。

將以上數值代入公式可得：

E=18×0.0375×91/3=1.76m，因此最終取值為2m。

炮孔排距的取值通常小于孔間距，主要與炮孔密集系數有關，排距b=nE。

其中n代表炮孔密集系數，取值為0.5;E為孔間距。最終計算排距b為1m。

炮孔末端高度的確定需要依據工作面壓力分布拱特點進行設計，其中老頂切斷孔末端高度為充滿采空區冒落頂板厚度的3倍，塊度控制孔為其2倍，端頭切斷孔為1.5倍。

雙向鉆孔法布置時炮孔深度：理論上講，爆破孔的深度與工作面長度成正比，工作面長度越長，所需爆破巖層厚度就越大。但從施工角度考慮，超過55m的鉆孔深度，無論對于鉆孔還是裝藥都產生較大難度，因此，炮孔深度應盡可能減小。

封孔長度應大于炮孔深度的20%，但多數情況下長度不應小于7m。

裝藥量：考慮到巷道的安全振動速度不宜過大，因此起爆藥量一次設計為450-550kg。

4 預裂爆破效果分析

采用雙向鉆孔超前預裂爆破弱化頂板技術后，對21303工作面頂板來壓周期進行觀測，記錄如圖3所示：

觀察圖3可以看出，小周期來壓步距平均值為17m，大周期來壓步距為174m，相比之前未采取預裂爆破時來壓步距分別減小了29.2%和18.3%。由此可知頂板在強制放頂處即發生斷裂，使得周期垮落步距明顯減小，能夠保證支架在強制放頂處受到厚硬頂板的壓力相比未采取相應措施時明顯降低，工作面支架的支護強度此時能夠滿足頂板周期垮落所帶來的壓力，實現安全生產。

5 結論

通過對21303工作面實施雙向鉆孔預裂爆破弱化頂板技術，結合爆破基本理論以及頂板破斷規律分析，最終提出合理的爆破參數設計。頂板在經過預裂爆破弱化處理后，工作面支架的受力情況得到明顯改善，原因在于：預裂爆破能夠保證強制放頂處頂板按照預期進行垮落，有效減小周期垮落步距，保證安全生產。

參考文獻：

[1]楊澤進.常村煤礦聚能預裂爆破弱化頂板技術研究[J].煤炭工程，2020，52（04）：58-61.

[2]張鋒，程建圣，楊貴儒，張立魁.綜放工作面初放期間頂板礦壓顯現規律分析[J].煤炭技術，2017，36（09）：82-84.

[3]楊貴儒，劉俊，趙凱，孫炳興.綜放工作面弱化爆破堅硬頂板礦壓規律分析[J].中州煤炭，2016（05）：62-66.

[4]李超，康天合，張彬.綜放初采期深孔預裂爆破弱化頂板的試驗研究[J].煤礦安全，2015，46（10）：28-31.

作者簡介：

牛嘉野軍（1981- ），男，山西朔州人，畢業于太原理工大學，本科，現任西山煤電金城建筑公司副總經理，研究方向：礦建工程。