深部開采中沿空留巷堅硬頂板預裂爆破技術研究

李鵬飛

（山西潞安集團蒲縣黑龍煤業有限公司 ，山西 蒲縣 041200）

1 工程概況

某礦己14-31010工作面下進風巷為沿空留巷試驗巷道，己14-31010工作面回采高度為1.8m，工作面的長度為150m，可推進長度為570m，采用綜合機械化的采煤工藝，用全部垮落法進行頂板管理。己14-31010工作面所采煤層為己14煤層，均厚為0.5m，煤層直接頂為細砂巖，厚度在0～8m，基本頂為中粒砂巖，厚度為9～18m；直接底為均厚為2.8m砂質泥巖，基本底為均厚1.4m的細砂巖。由于需沿空留巷的試驗巷道頂板為堅硬頂板，圍巖應力環境為高附加應力，會嚴重影響后期留巷區域的結構穩定，故需對沿空巷道堅硬頂板進行處理。

2 預裂爆破后堅硬頂板結構分析

2.1 堅硬頂板破斷結構的形成

預裂爆破時施工位置在超前工作面的一定位置處，通過爆破在鉆孔間形成大量裂隙，讓破碎巖石與裂隙形成貫通從而對爆破區域的頂板形成弱化作用，在工作面回采后頂板會在上覆巖層壓力和自重應力的綜合作用下沿著頂板弱化區域破斷，預裂爆破后基本頂可能形成鉸接結構或直接切落[1,2]，為達到充分卸壓的目的，通過合理控制爆破參數能夠讓基本頂沿著爆破線直接切落到采空區。

2.2 預裂爆破形成切落結構的條件

由上述分析知爆破后基本頂破斷形成兩種結構，分別為鉸接結構和直接切落，為達到對沿空巷道充分卸壓，現想通過爆破使得塊體B沿著爆破線切落，對于塊體B切落時需滿足的表達式，通過對鉸接結構的幾何條件和條件進行分析得出表達式，則塊體B沿著爆破線切落的條件即為與鉸接結構相反。

圖1 鉸接結構的幾何模型

鉸接結構幾何條件：根據預裂爆破后會產生一定寬度的弱化的區域，用2R表示弱化區域的寬度，建立如圖1所示幾何關系模型，下面通過討論分析關鍵塊體B斷裂后形成鉸接結構的幾何條件，圖1中L為長度，h為堅硬頂板的厚度，m為煤層厚度，s為關鍵塊體在運動過程中垂直下降時的位移。

關鍵塊體B通過旋轉接觸到巷道底板E點，若塊體B旋轉后仍未能夠與垮落塊體接觸便形不成鉸接結構，用A、C表示鉸接結構的鉸接點，則在極限狀態下形成鉸接結構的幾何關系為：

根據鉸接結構的幾何模型中關系有：

當滿足式（3）時便能夠保證塊體之間相互接觸，當A下沉量過大時會導致B塊體直接垮落到采空區，另外在R較大時，會使得式（3）無法成立，塊體無法接觸，B塊體形成切落結構垮落到采空區，故能夠通過控制爆破參數擴大爆破弱化區域，使得關鍵塊體切落到采空區，達到充分卸壓目的。

鉸接結構平衡條件：在結構塊體幾何參數滿足式（3）后能夠保證塊體間相互接觸，現討論塊體接觸后的平衡條件，建立鉸接模型如圖2所示，圖中FB為關鍵塊體的上覆荷載及其自重，T為塊體間的水平推力。

圖2 鉸接塊體平衡模型

通過對鉸接點A取距為0，能夠得出水平推力和鉸接點剪切力的表達式為：

當水平推力產生的摩擦阻力與剪切力相等時為極限平衡狀態，鉸接平衡條件為Q≤Ttanφ[3]，將式（4）帶入鉸接平衡條件有：

根據式（3）和（5）能夠得出結構塊體B形成切落結構的幾何與平衡條件的表達式為：

3 預裂爆破技術方案與效果

3.1 預裂爆破技術方案

對沿空巷道堅硬頂板的預裂爆破技術主要包括兩個方面：①超前工作面傾向深孔放頂爆破技術，②超前工作面走向小水平轉角鉆孔群切頂爆破技術。

3.1.1 超前傾向深孔放頂爆破技術

該技術就是在超前工作面的一定距離，先在頂板巖層中施工長鉆孔，隨后進行爆破作業，從而在頂板巖層形成人工弱化帶，當工作面回采后，工作面采動裂隙與人工爆破裂隙會相互作用，能夠改變沿空留巷頂板巖層的物理力學性質與巖層結構，從而達到改變工作面附近應力峰值，降低應力峰值，實現堅硬頂板的整體性控制。炮孔布置參數主要如下：

1）炮孔布置方式。炮孔布置方式主要有兩種為單向鉆孔法和雙向鉆孔法，在綜合考慮施工組織安排上的問題，對己14-31010下進風巷采用單孔鉆孔法進行放頂爆破作業，在工作面下風巷沿著煤層傾向對頂板巖層進行打孔，每一組爆破孔由1個老頂切斷孔、2個端頭切斷孔和1個塊度控制孔組成。

2）炮孔直徑。另外采用大孔徑炮孔能夠取得較好的超前深孔預裂松動爆破效果，故該次施工時炮孔直徑為75mm；

3）炮孔間距。綜合考慮鉆場布置情況與炮孔布置方式，選定炮孔的間距為35m，端頭切斷孔與基本頂切斷孔之間成小組布置，組間上下間距為0.5m，塊度控制孔距老頂的距離為2m；

4）炮孔水平轉角。根據工作面的長度、頂板裂隙產狀、鉆機的性能等因素確定炮孔的水平轉角[4]，綜合以上因素確定端頭斷孔的水平轉角設計為25°，工作面老頂切斷孔轉角設計為80°；

5）炮孔深度及末端高度。根據鉆孔布置方式、孔底距巷道的水平距離及工作面長度有關[5]，同時在巷道與孔底之間留有足夠長的隔離帶來保證巷道不受爆破作業的影響。在采用單向鉆孔法布置炮眼時，炮孔深度lb的計算表達式為：

式中：L為開采工作面的長度，l為孔底距巷道的水平距離，α為炮孔與巷道的夾角，β為炮孔與工作面的夾角。故根據上式結合鉆孔參數能夠得出端頭切斷孔炮孔深度為16mm，老頂切斷炮孔深度為81mm，塊度控制孔的深度為59m；在考慮到堅硬頂板的厚度為16mm，為充分切斷堅硬頂板故將塊度控制孔和老頂切斷孔的末端高度設計為16m，端頭切斷孔末端設計高度為8m。

6）炮孔傾角。根據炮孔水平轉角、末端高度及水平轉角確定后，再結合煤層傾角能夠計算得出炮孔傾角，計算表達式如下：

式中：d為炮孔在水平面上的投影長度，h為孔底的垂直高度；根據式（8）能夠得出端頭切斷孔的仰角為39°，老頂切斷炮孔的仰角為21°，塊度控制孔的仰角為39°。

3.1.2 走向小水平轉角鉆孔群切頂爆破技術

在對堅硬頂板沿空留巷結構進行分析的基礎上，提出采用走向小水平轉角鉆孔群切頂爆破技術對巷道頂板進行卸壓，擬采用2組6個走向鉆孔對頂板基本頂進行處理，為使基本頂在墻體外側破斷，從而調整堅硬頂板破斷的結構位態，對留巷區域的圍巖應力場進行優化，達到控制圍巖變形的目的，具體爆破鉆孔參數與布置方式如圖3所示，走向鉆孔切頂爆破參數如表1所示。

圖3 走向切頂爆破孔鉆孔布置圖

表1 走向鉆孔切頂爆破參數

故根據上述可知己14-31010工作面下進風巷堅硬頂板沿空留巷爆破總體鉆孔布置方案如圖4所示。

圖4 沿空留巷堅硬頂板預裂爆破鉆孔布置示意圖

3.2 預裂爆破效果

在對頂板進行預裂爆破后通過對己14-31010工作面液壓支架工作阻力進行持續觀測，能夠通過礦壓觀測得出工作面來壓周期與來壓步距，充分了解工作面的壓力變化情況，將工作面液壓支架的觀測數據繪制成曲線如圖5所示。

圖5 工作面支架阻力變化曲線圖

通過對圖5工作面液壓支架支護阻力進行分析能夠看出在觀測60天內，液壓支架的阻力出現5個明顯的波峰，分別為5月8日工作面推進120m的位置處，5月17日工作面推進144m的位置處，6月16日工作面推進196m的位置處及6月29日工作面推進226m的位置處，通過曲線中五個波峰的位置能夠分析得出工作面的四次周期來壓步距分別為24m、25m、27m和30m，故綜上可知該工作面周期來壓步距平均在20～30m，與未進行頂板預裂爆破時工作面的周期來壓步距相比縮短了10m左右，另外在回采過程中液壓支架的壓力相應變小，未出現過壓架現象，為工作面回采的正常進行提高了保障；在對頂板進行強制放頂后，礦壓顯現劇烈程度明顯降低，有效的對沿空留巷區域的高應力進行了弱化，有效的保護了充填墻體穩定。

4 結 論

1）通過分析知基本頂爆破后會出現鉸接和直接切落兩種形式，并對鉸接結構的平衡條件與幾何條件分析，得出形成充分卸壓的切落結構可通過增大爆破區半徑實現，并給出形成切落結構的表達式。

2）針對己14-31010工作面實際情況選用傾向與走向相結合的超前深孔預裂爆破鉆孔技術對己14-31010工作面下進風巷的堅硬頂板進行預裂爆破。

3）根據實測礦壓數據能夠得出進行預裂爆破后工作面的周期來壓步距縮小10m，且工作面回采時礦壓顯現程度明顯減小，有效的保護了沿空留巷充填墻的穩定性。