韓家洼煤業22205工作面堅硬頂板深孔預裂技術研究

郭星江

(山煤國際能源集團股份有限公司 煤業分公司，山西 太原 030000)

在煤礦開采中，堅硬難垮頂板巖石強度高、節理裂隙不發育、厚度大，煤層開采后大面積懸露在采空區，一旦垮落，會造成嚴重的工作面來壓現象，嚴重影響工作面的生產安全[1-3]。因此，針對工作面堅硬頂板進行切頂卸壓，減小工作面來壓強度，對保證工作面安全生產具有重要的意義。

許多研究學者已對堅硬頂板礦壓控制進行了研究，其中采用深孔預裂爆破技術弱化頂板是一種效果明顯的方法，大量的工程實踐表明，堅硬頂板的深孔預裂爆破效果與爆破孔的布置方案與參數(如爆破孔深度、爆破孔直徑、爆破孔位置等)密切相關。但是，目前有關爆破孔布置方案與參數對堅硬頂板預裂弱化效果影響的相關研究尚不夠深入。

韓家洼煤礦22煤層工作面采用綜放開采且頂板巖層為堅硬難垮巖層，若不對頂板巖層進行處理，則會嚴重影響礦井安全高效開采。因此，提出采用深孔預裂及數對頂板進行處理，針對深孔預裂爆破參數進行了進一步研究。

1 工程概況

韓家洼煤礦22205工作面位于二采區，東部22203工作面采空區，西部為原韓家洼采空區，南部為二采區三條主要巷道，北部為礦界。工作面傾向長150 m，工作面走向長878.4 m.工作面所采煤層為22號煤，賦存穩定，煤層厚度為10.3～12.7 m，平均厚11.5 m，煤層結構復雜，煤層傾角為2～8°.頂底板巖層分布為：老頂為厚度為4.2～26.9 m的白色粗砂巖，直接頂為灰白色細砂巖，平均厚度為3 m，偽頂為灰黑色泥巖，平均厚度為1.1 m，直接底為灰白色砂質泥巖，平均厚度為1 m，老底為灰黑色細砂巖，平均厚度為8.7 m，頂底板巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 頂底板煤層柱狀圖

根據相鄰工作面開采垮落經驗，可以預測22205工作面煤炭資源采出后，頂板初次垮落步距大于70 m，極易形成采空區大面積懸頂，頂板初次來壓時會造成嚴重的沖擊波，對工作面及相關支護設備造成嚴重破壞，因此為保證22205工作面的安全高效開采，采用深孔預裂技術對頂板進行卸壓處理，減小頂板劇烈來壓。

2 預裂爆破參數對厚煤層堅硬頂板來壓步距的影響規律

2.1 模型建立

為科學確定深孔預裂爆破方案與參數，采用FLAC3D數值模擬軟件模擬22205工作面深孔預裂各項參數對工作面垮落規律的影響，建立模型尺寸為300 m×150 m×60 m，模型上部補償載荷為5 MPa.

韓家洼煤礦22205工作面深孔預裂爆破孔布置于工作面兩側巷道中及工作面切眼中部，如圖2所示。為研究爆破孔距及爆破孔深度對堅硬頂板預裂弱化效果，建立了如表1所示5種數值模擬方案，研究不同參數下對頂板巖層垮落規律的影響。

圖2 數值模擬計算模型

表1 數值模擬方案

2.2 爆破孔距開切眼距離的影響

不同爆破孔距影響下，隨工作面推進距離的變化頂板爆破孔圍巖主應力差變化規律如圖3所示，可以得到如下結論：工作面推進距離相同時，實施深孔爆破后的主應力差明顯大于未實施爆破的主應力差，這是由于爆破預裂后，受沖擊影響爆破孔周圍產生了較大的應力集中，進而會導致爆破預裂后的頂板更容易發生斷裂。還可以發現爆破孔主應力差隨著爆破孔距的增加而逐漸減小，是因為爆破預裂效果隨著爆破孔距的增大而不斷減弱。

圖3 不同爆破孔距影響下頂板主應力差變化規律

2.3 不同爆破孔深度的影響

不同爆破孔深度影響下，隨工作面推進距離的變化頂板破壞最大高度變化規律如圖4所示，可以得到如下結論：同一爆破孔深度時，頂板破壞最大高度隨著工作面推進距離增大而增大，且爆破孔深度越大，頂板破壞最大深度破壞越快且破壞高度越高，是因為隨著爆破孔深度的增大，爆破對頂板弱化效果增大，減小了頂板來壓步距。

圖4 不同爆破孔深度影響下頂板破壞高度變化規律

2.4 堅硬頂板最佳預裂爆破參數的確定

根據以上數值模擬結果可以得到，在工作面切眼處及巷道進行預裂爆破時可以有效地弱化頂板，減小來壓步距。以上5個預裂爆破方案下頂板來壓步距如表2所示，綜合分析可以得到，方案1和方案2頂板初次來壓步距較小，40～50 m是最優方案。

表2 不同預裂爆破方案下頂板初次來壓步距范圍

3 222205綜放工作面堅硬頂板深孔預裂爆破方案

3.1 深孔預裂爆破方案設計

根據堅硬頂板預裂爆破參數的FLAC3D數值模擬優化結果，確定了22205綜放工作面堅硬頂板深孔預裂爆破參數，如圖5和表3所示。回風巷和運輸巷布置爆破孔各5個，編號1～5和編號10～14，參數相同，呈扇形布置，工作面切眼中部布置1組共4個爆破孔，6～7號與8～9號爆破孔呈對稱布置，參數相同，爆破參數如表3所示。

圖5 爆破孔布置平面圖

表3 深孔預裂爆破參數

3.2 堅硬頂板深孔預裂爆破效果分析

根據上述22205綜放工作面堅硬頂板深孔預裂爆破技術方案以及施工安全技術措施與要求：根據韓家洼煤礦22205工作面堅硬頂板深孔預裂爆破技術方案，當22205綜放工作面于運輸巷累計推進4 m，回風巷累計推進7 m時，對22205綜放工作面兩巷道進行預裂爆破，在裝藥之前首先采用PVC管對預裂孔進行試孔，采用內徑為45 mm的PVC管作為炸藥載體，將炸藥及導爆索裝入管內，達到長度要求后，將PVC管推入爆破孔底，炮眼采用連續耦合方式裝藥，采用雙雷管雙導爆索。PVC推到孔底后，用炮棍把準備好的炮泥裝入炮孔，炮泥充填密實，進行爆破。

通過現場觀測，當22205工作面回風巷推進13.5 m，運輸巷推進9.7 m時，工作面頂煤已經垮落，機尾95號架附近已經垮落到頂板白砂巖，從22號支架到82號支架后溜多處可見白砂巖，綜合判斷，頂煤已經全部垮落。當運輸巷推進46 m，回風巷推進64 m，平均推進55 m左右時，工作面發生大面積來壓現象，其中50號～101號支架壓力較大，綜合判斷，工作面初次來壓步距為55 m，22205綜放工作面老頂初次來壓與22203綜放工作面相比，早來了15 m左右，這與22205綜放工作面采用的深孔預裂爆破方案有直接關系。

4 結 語

1) 采用數值模擬得到預裂爆破后堅硬頂板相比未爆破的頂板更容易發生破斷，頂板弱化效果隨著爆破孔距增大而減小，頂板弱化效果隨著爆破孔深度增大而增大，爆破孔深度越大，頂板破壞速率越快，破壞高度越高。

2) 結合數值模擬結果，確定了深孔預裂爆破技術方案各項參數，通過井下試驗現場觀測，實施預裂爆破技術后，工作面來壓步距減小為55 m，堅硬頂板強礦壓現象得到了有效的控制，為韓家洼煤礦后續相似條件下綜放工作面的安全高效開采提供了理論與技術支撐。