堅硬頂板深孔爆破初次強制放頂技術研究

王成飛

（山西潞安集團潞寧孟家窯煤業公司，山西 忻州 036000）

1 工程概況

潞寧孟家窯煤業為資源整合型礦井，設定生產能力1.2 Mt/a。11505 工作面位于礦井11 采區，主采5 號煤層。工作面地面標高+1732～ +1802 m，煤層底板標高為+1440～ +1600 m。西北部為11507 工作面，西部為馬連溝礦井采空區，東部為5#煤回風上山，南部為設計的11503 工作面。工作面煤層結構簡單，平均傾角24°，開采煤厚平均11.5 m。工作面頂底板巖層性質見表1。

11505 工作面采用綜采放頂煤工藝，工作面長度155 m，割煤厚度3.5 m，放煤高度8.0 m，采放比為1:2.29，采用一刀一放工藝，截割深度0.8 m，放煤步距0.8 m。11505 工作面上方基本頂主要為質地堅硬的細粒砂巖，而煤體普氏系數僅為0.8，屬于松軟煤層。放頂煤過程中，由于開采空間較大，直接頂垮落后不能完全充填采空區，而基本頂巖層又較為堅硬不易垮落，因此需要在初采期間對頂板進行人為強制放頂，減緩11505 工作面頂板應力集中程度，便于放頂煤工作的安全進行。

表1 11505 工作面頂底板巖性特征

2 深孔預裂爆破強制放頂技術

2.1 深孔預裂爆破力學分析

深孔預裂爆破是采用長鉆孔裝填炸藥，利用炸藥釋放的爆破能量波和爆生氣體對鉆孔圍巖進行破裂的方式。爆破能量波的作用過程是動態的，沖擊載荷在鉆孔周圍形成壓應力場，迫使周圍巖體產生向外擴展導致裂隙產生；爆生氣體的作用是相對靜態的，未隨能量波傳遞出去的部分高壓氣體充盈在已產生的微裂隙中，擠壓裂隙末端使其擴展貫通，進一步加大了破壞范圍。對深孔爆破周圍煤巖體的破壞形式進行分區劃分，如圖1，由外到內分別是破碎區、裂隙區和彈性區。炸藥爆炸后，破碎區半徑一般較小，僅為鉆孔半徑的5 倍左右。該區域煤巖體破碎程度大，基本喪失了一體性承載能力，實際影響范圍可由式（1）計算。破碎區之外為裂隙區，裂隙區為能量波與爆生氣體共同作用的范圍，可按照式（2）計算。而裂隙區之外的彈性區域，已不存在破壞狀態，僅受能量波傳遞的影響，在布置鉆孔時也可不考慮。

式中：Rc為破碎區半徑，m；ρ0為炸藥的密度，kg/m3；D 為巖石中炸藥爆速，m/s；σcd為巖石單軸動態抗壓強度，MPa；α 為載荷傳播衰減指數；K 為不耦合裝藥徑向不耦合系數；rb為炮孔半徑，mm；le為裝藥軸向系數；n 為爆轟產物膨脹碰撞孔壁時的壓力增大系數；σtd為巖石單軸動態抗拉強度，MPa；σR為破碎區與裂隙區分界面上的徑向應力，MPa；β 為應力波衰減指數。

圖1 深孔預裂爆破圍巖分區

2.2 強制放頂力學分析

通常而言，工作面頂板破斷過程中，由于采空區空間相當于四周支撐的薄板，推進過程中的頂板呈現“O-X”破斷，在工作面前方和切眼后方形成了旋轉下沉塊體，給支架和煤壁帶來影響。采用強制放頂技術后，人為地將旋轉下沉塊體與前方煤體提前進行切割，無論是在切眼后方切頂還是在支架前方切頂，頂板的破斷形式就轉變為了“D”型，在切眼側實現上覆頂板整體斷裂下落，避免因為堅硬頂板長時間不垮落而導致的突然來壓現象。強制放頂頂板破斷對比如圖2。

圖2 強制放頂頂板破斷對比

3 工程實踐應用

3.1 深孔爆破參數確定

（1）頂板處理高度。按照采高3.5 m、放煤為8.0 m 計算，巖石碎脹系數取1.5。要保證頂板垮落的高度能夠全部充滿煤厚和頂板垮落區域，經計算得到需要處理的煤層上方頂板高度為23.5 m，考慮偽頂連接的部分頂板可自行垮落，則設計炮孔垂直高度為20 m。

（2）爆破參數。使用炸藥直徑為75 mm，炮孔直徑設計為80 mm，采用不耦合裝藥方式，系數為1.06。炮孔間排距由破碎區和裂隙區的范圍決定，考慮采動壓力和炸藥參數，計算后得到的孔底間距為5261 mm。在實際應用中，炮孔采用雙排倒“八”字型布置，A、B 組孔口間距10 m，孔間隔8.6 m，排距定為1 m。炮孔深度按照處理頂板高度定為23 m，封孔長度為5 m，裝藥總長度為18 m，一次起爆藥量按照安全系數計算為655 kg，在工作面推進3.2 m 左右時進行爆破。

3.2 11505 綜放面初次放頂爆破方案

（1）炮孔布置。在切眼內布置A、B 兩排炮孔，A 組平行于切眼軸線，B 組斜向前方，兩組炮孔在孔口處呈“三花眼”形，孔底呈現倒“八”字形，如圖3、圖4。A 組炮孔沿切眼頂板直線形布置，每隔10 m 布置一個炮孔，共布置14 個炮孔，編號分別為A1～A14，孔距切眼后幫煤壁＜0.5 m，炮孔按60°仰角施工。B 組炮孔在支架掩護梁上方的頂板處開孔，孔口呈直線形布置，每隔10 m 布置一個炮孔，共布置14 個炮孔，編號分別為B1～B14，孔距支架上方切頂線＞0.5 m，炮孔仰角按60°施工，且向前方傾斜45°水平角。

（2）爆破工藝。采用ZDY-400 鉆機三翼金剛鉆頭打孔，炸藥型號為煤礦許用3 號乳化炸藥，雷管為煤礦許用毫秒電雷管，采用兩導爆索起爆，封孔材料采用較潮濕的黃土，聯線采用“局部并聯，總體串聯”的方式進行，放炮使用MFB-100 型起爆器，爆破母線長度大于300 m，放炮安全距離不小于300 m。爆破前，必須用水沖洗放炮地點30 m范圍內的煤塵。

圖3 炮孔孔口布置平面圖

圖4 A、B 兩組炮孔剖面圖

3.3 深孔爆破初次放頂效果分析

11505 綜放面在推進3.2 m 進行頂板深孔預裂爆破后，即刻將支架后方采空區與采場人員設備隔離，并對支架受力情況進行監測，觀察頂板垮落情況。綜放面繼續推進1.6 m，監測的支架阻力由4820 kN增加到6140 kN，增幅達27.4%，同時在頂板炮孔位置處出現大量的裂隙發育，煤巖體有不同程度的脫落。繼續推進2.4 m，直接頂巖層出現完全垮落，之后繼續推進15 m 左右時，基本頂完全垮落，采空區域全部被松散煤巖體充滿。根據周圍工作面未預裂時候的初次來壓步距對比，11505 工作面初次來壓步距減小13 m 左右，降幅達46.4%。同時根據觀察，采場支架并未出現損害，前方煤壁完整性控制較好，沒有發生沖擊、壓架或人員設備損傷事故。實踐證明11505 工作面堅硬頂板預裂爆破初次放頂的效果符合工作面生產實際。

4 結論

深孔預裂爆破作用主要是由爆炸產生的能量波和爆生氣體共同作用導致煤巖體發生破碎和裂隙發育，堅硬頂板強制放頂后會產生與常規頂板垮落不同的破斷特征，預裂爆破強制放頂是解決11505 放頂煤工作面堅硬頂板技術問題的有效途徑。在采用該技術后，11505 綜放面初次來壓步距減小到15 m左右，工作面推進過程中未出現壓架、沖擊災害或人員設備損傷等災害，深孔預裂爆破強制放頂的效果顯著，滿足了11505 綜放面的安全高效開采。