建新煤業厚硬頂板深孔預裂爆破控制技術研究與應用

王立偉

（長治市上黨區應急管理局，山西 長治 047100）

1 工程概況

長治建新煤業有限公司礦井開采3#～15#煤層，15#煤層厚4.02～6.55 m，平均4.87 m。15101 工作面位置如圖1。工作面頂板為致密塊灰巖（K2），厚度8.28 m，有時存在厚度不大的泥巖偽頂，隨開采而塌落。K2 灰巖的抗壓強度為84.4～110.8 MPa，抗拉強度為2.6～3.8 MPa，凝聚力系數15.0～15.6，屬堅硬巖石，穩固性好。由于灰巖頂板堅硬，回采后大面積懸頂不垮落，給生產帶來安全隱患。為了確保工作面回采后頂板及時垮落，降低工作面大面積來壓的風險，結合周邊鄰近煤礦15#煤層開采經驗，擬對15#煤層頂板進行深孔預裂爆破。

圖1 15101 工作面布置平面圖

2 15101 工作面頂板運動步距分析

采煤工作面回采期間，后方采空區頂板運動形式主要有直接頂初次垮落、基本頂初次垮落、周期垮落，頂板巖層的每次運動會引起工作面礦壓顯現，15101 工作面無直接頂，基本頂為灰巖，因此僅需分析基本頂初次垮落步距和周期垮落步距。

2.1 基本頂初次垮落步距

基本頂初次垮落步距有兩種計算方法：一種是根據固支板理論計算[1]，一種是根據梁的理論計算[2]。對于工作面長度大，且巖石堅硬完整的頂板，比較適合用板的理論計算垮落步距。根據彈性理論可確定沿工作面推進方向“板”的極限步距：

式中：C為基本頂初次垮落步距，m；b為采煤工作面長度，m；σt為基本頂抗拉強度，N/m2；k為老頂龜裂系數，k=0.25～1.0；m 為基本頂厚度，m；γ為基本頂容重，N/m3；α為煤層傾角，（°）。15101 工作面各參數見表1。通過上式計算得到基本頂初次垮落步距C0=40.4～52.2 m。

表1 頂板運動步距計算參數

2.2 基本頂周期來壓步距

初次來壓后，基本頂的周期垮落通常按懸臂梁形式垮落：

式中：q為基本頂巖層受到的均布垂直應力，僅考慮基本頂巖層的自重，當基本頂厚度為7.1 m 時，q=0.178 MPa，基本頂厚度為10.6 m 時，q=0.266 MPa。據此，預計15101 工作面的周期來壓步距C=18.9～23.1 m。綜上可知，正常開采條件下，15101 工作面基本頂初次垮落步距為40.4～52.2 m，周期垮落步距為18.9～23.1 m。

3 頂板爆破方案設計

由于石灰巖頂板鉆孔比較困難，鉆孔花費的時間比較多，為了避免在綜采面生產過程中停產進行鉆孔爆破，因此選擇在切眼預先爆破切斷灰巖頂板，從而縮短工作面初垮步距，降低初次來壓強度。初壓后工作面進入周期來壓階段，由于灰巖頂板強度高，液壓支架回撤后采場后方將有較大的懸頂距，尤其是上下隅角處懸頂距將更大，造成工作面礦壓顯現強烈，有一定的安全隱患，也需要進行強制放頂，但生產過程中進行強制放頂對生產有較大影響。根據周邊鄰近礦的經驗[3-4]，選擇在兩巷順槽進行深孔預裂爆破，最大程度降低工作面尤其上下隅角的懸頂面積。

3.1 工作面切眼深孔爆破

15101 工作面頂板深孔爆破預裂的目標層位為灰巖基本頂，深孔爆破只要切斷了灰巖，其上方軟弱巖層會隨之垮落，并充填滿采空區。因此，確定炮孔垂直高度為7.1～10.6 m，切眼附近頂板灰巖厚度為8.0 m 左右，據此設計爆破鉆孔垂直深度為8 m。15101 工作面灰巖厚度為7.1～10.6 m，按平均值8.28 m，即最小抵抗線距離為8 m，初步設計切眼鉆孔間距按8 m 確定。考慮到施工的方便性、鉆孔的工作量以及爆破效果，確定炮眼的角度取30°，順切眼方向傾斜。15101 工作面頂板堅硬，采用2 號煤礦乳化炸藥、藥卷直徑60 mm、藥卷長500 mm、每卷藥重1.62 kg、線裝藥密度為3.24 kg / m。爆破孔的封孔長度是非常關鍵的參數，設計炮孔封孔長度應為孔深的25%～40%，即封孔系數為0.25～0.4。結合裝藥系數，封孔系數取0.3，即封孔長度取為4 m。根據鄰近礦的經驗，工作面兩端不易垮落，對采場有較大影響，所以預裂爆破的重點是工作面兩端部分，具體數據可結合現場打眼難度等指標確定。綜上所述，設計15101 工作面切眼內爆破鉆孔布置詳情如圖2 及表2。

表2 切眼頂板爆破鉆孔參數表

圖2 15101 工作面切眼深孔爆破鉆孔布置（m）

3.2 工作面順槽深孔爆破

根據鄰礦經驗，周期來壓期間，工作面中部能正常垮落，對采場影響較小，但兩端垮落較差，如不采取預爆，對采場有較大影響，存在一定的安全風險，因此，需要對兩端頂板進行預裂爆破處理。為了避免打眼造成工作面停采，選擇在兩巷順槽中進行深孔預裂爆破。為了達到更好的效果，需要確定合理的循環爆破步距和鉆孔的布置。根據前面的預測計算，在基本頂厚度7.1～10.6 m 的情況下，15101 工作面基本頂周期來壓步距為18.9～23.1 m，因此，確定順槽爆破步距為20 m。在15101 工作面兩側順槽內每間隔20 m 對稱布置鉆場，鉆場布置在工作面實體煤幫內，深4.0 m、寬3.5 m。鉆孔布置詳情如圖3，順槽鉆場內爆破鉆孔參數見表3。

表3 順槽鉆場內爆破鉆孔參數表

圖3 順槽內鉆場硐室爆破鉆孔布置示意圖（m）

4 應用效果分析

根據建新煤業15101 工作面深孔爆破頂板弱化方案，在現場開展工業性應用試驗。為分析深孔爆破預裂頂板弱化效果，在工作面回采初期監測頂板垮落情況及支架載荷變化情況。工作面上三角區和下三角區為頂板垮落難度較大的部位，工作面回采12.8 m、14.4 m，上三角區、下三角區頂板分別開始垮落，工作面回采24.0 m，能聽到清脆的頂板破斷聲音，后方采空區出現大面積垮落，液壓支架間空隙基本被冒落的巖塊充填，無法繼續直觀觀察后方采空區頂板巖層垮落情況，頂板出現分層、分段垮落，可以較好地避免工作面出現大面積劇烈來壓現象。選取工作面上部5#支架、中部30#支架、下部55#支架載荷監測數據如圖4，工作面初次來壓步距平均為31 m，周期來壓平均步距為16.2 m，基本頂初次來壓步距相對于爆破前的理論值減小了23.3%（爆破前按照40.4 m 計算），周期來壓步距相對于爆破前減小了14.3%（爆破前按照18.9 m 計算）。由此說明，深孔爆破預裂后，縮短了基本頂斷裂步距，降低了工作面來壓的強度。

圖4 支架載荷變化曲線

5 結語

以建新煤業15101 工作面在厚層堅硬頂板條件下開采為背景，通過工程類比、理論計算、礦壓監測等手段，設計研究深孔爆破預裂弱化工作面頂板方案并進行工業應用。正常頂板條件下，15101 工作面基本頂初次來壓步距40.4～52.2 m，周期來壓步距18.9～23.1 m，結合工作面巷道布置及圍巖條件，設計切眼及順槽內爆破孔布置參數及方案。現場應用期間監測頂板垮落情況及支架載荷，工作面頂板表現為分層、分段垮落，基本頂初次來壓步距約為31 m，平均周期來壓步距為16.2 m，通過深孔爆破預裂對頂板弱化效果較好，降低了工作面頂板來壓的強度。