綜采工作面堅硬頂板預裂爆破切頂卸壓技術研究

陳國華

【摘 要】 本文針對綜采工作面堅硬頂板懸而不垮問題，采用深、淺孔相結合的預裂爆破方式對堅硬頂板進行處理并詳細對預裂爆破方案進行設計，現場應用后達到了切頂卸壓處理堅硬頂板的目的。結果表明：1）將切頂高度設計為10m可實現對3號基本頂中砂巖弱化處理，滿足現場礦壓控制需要;2）現場應用后基本頂垮落從機尾向機頭方向發展并有分段來壓趨勢，初次來壓步距平均為29.7m，來壓強度較小，頂板來壓期間煤壁、瓦斯等均未出現異常，應用效果顯著。

【關鍵詞】 綜采工作面;堅硬頂板;預裂爆破;卸壓;礦壓顯現

【中圖分類號】 TD823 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）05-0004-02

堅硬頂板具有承載能力強、裂隙不發育等特點，堅硬頂板巖層垮落特征與普通頂板存在明顯差異，采面開采后采空區懸露面積過大時會給礦井生產安全帶來顯著不利影響，眾多研究學者從各方面對堅硬頂板處理技術展開研究。本文就以4304綜采工作面為工程背景利用預裂爆破切頂卸壓技術對頂板進行處理，現場應用效果明顯。

1工程概況

山西某礦4304綜采工作面斜長220m、設計推進距離1080m，由于受到褶曲影響，采面切眼至前方250m范圍仰斜開采，250m～1080m范圍為俯斜開采，在采面開采范圍內局部區域直接頂裂隙發育。采面開采的3號煤層平均厚5.52m，傾角1～8°，平均埋深470m，具體采面頂底板巖性參數見表1。采面上覆厚2.08m的砂質泥巖隨采隨垮，但是直接頂上覆的厚8.06m的中粒砂巖較為堅硬，難以垮落。

2預裂爆破切頂卸壓技術方案

2.1切頂高度確定

對采面頂板堅硬巖層進行預裂爆破切頂卸壓處理后，應能實現垮落的巖層可充填采空區，具體可通過公式（1）計算取得。

HX×ζ=He+HX（1）

其中：Hx表示頂板爆破卸壓后垮落高度（m）;He為采面采高（取值5.54m）;ζ為垮落巖石碎脹系數（取值1.5）。根據公式（12）求得Hx=11.08（m）。

3號煤層上覆直接頂、基本頂厚度分別為2.08m、8.4m，具體頂板處理切頂卸壓高度為采面上覆直接頂、基本頂之和，取值10m。

2.2切頂卸壓爆破方案

2.2.1爆破方式

根據以往礦井堅硬頂板處理經驗并結合工程類比法，最終確定4304綜采工作面頂板切頂卸壓爆破采用淺、深孔相結合方式，并提出兩種爆破方案。將采面切眼沿傾向方向劃分成5個區段，具體見圖1。方案一為：將III區采用深孔爆破方式，其余的I、II、Ⅳ、Ⅴ區均采用淺孔爆破方式;方案二為：將II、III、Ⅳ區采用深孔爆破方式，I、Ⅴ區采用淺孔爆破方式。

方案二相對于方案一而言在采面回采巷道兩側增加布置8個爆破孔，增加的爆破孔深孔為12m、仰角為60°，裝藥、封孔長度分別為7m、5m;方案一及方案二的淺孔爆破方式相同。方案一由于施工的深孔爆破孔數量少，因為施工效率更高，但是對頂板的預裂爆破效果較方案二有所降低。因此，當時間以及現場條件允許時，應盡可能采取方案二對頂板堅硬巖層進行處理，從而提升頂板弱化效果。

2.2.2爆破孔現場布置

待4304綜采工作面切眼布置完畢后，為了確保采面推進過程中兩側回采巷道三角區以及采空區不出現大面積頂板懸露問題，在采面架間、機頭位置以及保護煤柱處增加布置爆破孔對頂板進行松動，具體采面選用方案二時爆破孔現場布置情況見圖2。

從圖中可看出，采面中部采用深孔爆破、兩側選用淺孔爆破方式，具體采面機頭、架間以及保護煤柱位置爆破孔為：

提前在機頭支架到切眼后方密封段位置中部布置兩排木垛，在垛間預留爆破孔鉆進及爆破作業空間。炮眼斜向采面布置，炮孔深度控制在8～10m，當炮眼深度較小時應確保與豎向方向上夾角在55°以內，從而實現爆破孔最低6m以上的垂直處理范圍，炮眼走向間距控制在2m（即兩鄰近木垛間布置一個炮眼），從而實現對機頭三角區巖層進行弱化。具體機頭位置爆破孔布置參數見表2。

在切眼液壓支架間向采面后方布置12～16m深爆破孔，具體爆破孔位置應依據回采時采空區頂板垮落情況確定布置參數見表3。為了確保爆破時炮孔周邊液壓支架及其他開采設備安全，爆破孔選用0.2kg藥卷并配合毫秒延時電雷管起爆，爆破時一次引爆相鄰近的3～5個爆破孔。

采面機頭每向前推進2m距離，綜采隊在距底板3～4m位置斜向保護煤柱施工孔深3m爆破孔，從而降低煤柱對采面頂板支撐強度。具體炮眼參數見表4。

3爆破效果

對采面上覆堅硬中粒砂巖進行預裂爆破后，頂板按機尾向機頭方向垮落。在采面推進過程中對支架工作阻力進行監測，具體每隔10架支架監測布置一個測點監測支架工作阻力，具體監測結果見表5。

從監測結果得出，采面基本頂呈現出分段來壓特點，機尾、采面中部以及機頭位置頂板初次來壓步距分別為18.6～25.4m、27.5～33.2m、31.5～38.4m，采面基本頂初次來壓步距平均為29.7m。在基本頂來壓期間，動載系數較小、來壓強度不大，同時未能觀測到煤壁出現煤炮、大范圍片幫以及采面瓦斯超限問題。采面基本頂來壓步距、來壓強度均較小，并呈現分段來壓特點，表明在采面采用的預裂爆破切頂卸壓技術取得顯著的應用效果。

4結束語

礦井4304綜采工作面直接頂為砂質泥巖、裂隙發育基本可實現隨采隨落，但基本頂為堅硬的中粒砂巖，抗壓強度大，若不進行處理勢必會造成基本頂在采空區內大面積懸空，給采面生產安全帶來不利影響。

依據礦井生產實際條件、結合工程類比法確定在采面中部采用深孔爆破、上下兩端采用淺孔爆破技術方案，并具體對采面機頭、架間以及煤柱側爆破孔布置參數及要求進行設計。

現場應用后，基本頂初次來壓步距介于18.6～38.4m，平均為29.7m，頂板來壓強度較小，來壓期間煤壁、瓦斯等均未出現異常，表明文中提出的預裂爆破切頂卸壓技術應用效果顯著。

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