大采高工作面回采初期深孔預裂爆破弱化頂板技術

朱瑞巖

（山西興新安全生產技術服務有限公司，山西 太原 030024）

我國煤礦以井下開采為主，面臨著瓦斯、煤塵、水、火和頂板等五大自然災害，無論是從發生次數還是死亡人數方面看，頂板事故都居煤礦各類事故之首，是影響煤礦安全開采主要因素之一[1-2]。我國有45%的煤炭資源屬于厚煤層，一般采用大采高或綜放開采工藝。采用大采高開采工藝時，一次性采出煤炭資源多，采空范圍大，尤其當工作面回采初期，上覆頂板來壓步距較大，來壓劇烈，易誘發動力災害[3-4]。針對大采高工作面回采初期頂板控制難題，常采用卸壓方式對頂板巖層進行弱化，最常見的方法為深孔預裂爆破[5-6]。

1 工程概況

玉溪煤礦1301工作面位于一盤區南部盤區巷東側，開采3#煤層，煤層厚度5.8～6.2 m，平均厚度為6.1 m，煤層底板標高+315～+355 m，地面標高+867.8～+1 031.3 m。工作面北側為規劃1303工作面，南側和東側為保安煤柱，西側為盤區巷。開采煤層為近水平煤層，煤層傾角為0°～10°，平均3°。基本頂為灰-深灰色中厚層狀中粒砂巖，均厚5.3 m，具大型交錯層理，脈狀層理，波狀層理；直接頂為黑-灰黑色中-厚層狀砂質泥巖，均厚2.4 m，具緩波狀層理，水平紋理；偽底為灰黑色砂質泥巖，均厚0.50 m，含煤紋，具滑面；直接底為深灰色中厚層狀粉砂巖，均厚3.5 m，具脈狀層理，波狀層理；基本底為深灰色泥巖，均厚7.55 m，厚層狀，含煤紋。玉溪煤礦1301工作面采用大采高一次采全高開采工藝，工作面平均采高6.1 m，工作面切眼長度200 m。

2 深孔預裂爆破弱化頂板技術

2.1 基本原理

大采高開采一次性采空范圍大，工作面回采初期，頂板巖層聚積大量的彈性能，頂板巖層斷裂后，彈性能突然釋放，頂板來壓劇烈，易誘發動力災害。通過在頂板巖層內按一定的間距施工深部鉆孔，并進行提前爆破，炸藥起爆后，產生強大的沖擊波，沖擊波形成壓應力波，使鉆孔圍巖瞬間壓縮破碎，形成裂隙，并在壓應力波的作用下裂隙二次擴展，相鄰爆破鉆孔間形成的裂隙相互耦合、貫穿，頂板巖層積聚的彈性能得到釋放，從而實現頂板弱化的效果。大量工程案例表明，深孔預裂爆破技術可以預裂煤層上方頂板巖層，提前釋放頂板內部彈性能，破壞頂板的完整性，實現弱化頂板巖層、縮短來壓步距、降低來壓強度的目的[6]。

2.2 深孔預裂爆破弱化頂板技術

通過在1301工作面切眼布置一排預裂爆破鉆孔，利用爆破形成的沖擊波對頂板進行預裂弱化，具體技術參數如下：

（1）鉆孔布置

沿切眼布置一排定向預裂爆破鉆孔，與垂直方向呈60°夾角。定向預裂爆破鉆孔孔間距設計為10 m，工作面切眼寬度200 m，共布置21個定向預裂爆破鉆孔，爆破鉆孔距切眼中心線1.0 m布置，爆破鉆孔深度分別為16 m、22 m、28 m，對應的垂直深度為8 m、11 m、14 m。不同爆破鉆孔深度均布置7個鉆孔，交替布置。爆破鉆孔布置圖如圖1（圖中僅為其中9個鉆孔的布置情況），爆破鉆孔裝藥結構如圖2，爆破鉆孔裝藥結構參數見表1。

表1 鉆孔裝藥結構參數

圖1 定向預裂爆破鉆孔布置示意圖（m）

圖2 鉆孔裝藥結構示意圖

（2）起爆順序

在開切眼內從主運順槽向輔運順槽方向進行分組爆破。1～21號鉆孔依次分5組進行：1～4號第一組，5～8號第二組，9～12號第三組，13～16號第四組，17～21號第五組。每組布置4或5個鉆孔。

3 深孔預裂爆破弱化頂板效果分析

1301工作面回采初期采用深孔預裂爆破弱化頂板技術，實現弱化頂板巖層、縮短來壓步距、降低來壓強度。進行工作面初次來壓監測與分析，監測結果見表2。結果顯示，1301工作面初次來壓步距在19.9～23.8 m范圍，平均步距21.5 m，初次來壓強度在30.6～41.0 MPa范圍，平均強度36.3 MPa。圖3為5#測站的工作面回采初期支架工作阻力曲線圖。由圖可知，工作面液壓支架初撐力7000 kN，工作面初次來壓時，液壓支架工作阻力為8000 kN（約38.4 MPa），動載系數1.15。

圖3 5#測站支架工作阻力曲線圖

表2 工作面初次來壓監測結果

采用1301工作面鄰近類似條件工作面頂板來壓情況進行對比分析，圖4給出了深孔預裂爆破弱化頂板技術應用前后初次來壓步距和強度對比圖。未采用弱化頂板技術時，工作面回采初期初次來壓平均步距36.9 m，平均強度49.5 MPa。采用深孔預裂爆破弱化頂板技術后，工作面回采初期初次來壓平均步距21.5 m，平均強度36.3 MPa，來壓步距降低了39.0%，來壓強度降低了26.7%，表明深孔預裂爆破弱化頂板技術有效實現了頂板弱化，避免了1301工作面回采初期出現來壓步距較大，來壓劇烈現象，保證了工作面安全回采。

圖4 初次來壓情況對比圖

4 結論

玉溪煤礦1301工作面采用大采高開采工藝，工作面采高6.1 m。為防止工作面回采初期由于一次性采空范圍大，易誘發動力災害事故，提出采用深孔預裂爆破弱化頂板技術弱化頂板巖層，設計了深孔預裂爆破弱化頂板技術和參數。技術應用后初次來壓步距降低了39.0%，初次來壓強度降低了26.7%，表明深孔預裂爆破弱化頂板技術實現了堅硬頂板弱化，避免了1301工作面回采初期出現來壓步距較大，來壓劇烈現象，保證了工作面安全回采。