厚煤層堅硬頂板預裂爆破強制放頂技術實踐

史振飛

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)有限公司伯方煤礦分公司 ，山西 高平 048400）

0 引 言

堅硬頂板是指煤層上方直接賦存或在薄層的直接頂上面，存在厚層堅硬的砂巖、礫巖或石灰?guī)r，具有結(jié)構致密、完整度高、裂隙不發(fā)育等特點，容易發(fā)生大面積不垮落，造成頂板災害，嚴重影響礦井安全高效生產(chǎn)[1,2]。目前，處理堅硬頂板懸而不垮所采取的措施主要有高壓注水技術、煤柱支撐技術、局域切割技術、預裂爆破放頂?shù)燃夹g。在這些技術中，預裂爆破技術是目前處理堅硬頂板懸露不垮的主要技術手段[3,4]。本論文以伯方煤礦3205工作面為研究背景，針對回采工作面堅硬頂板懸露不垮現(xiàn)象，設計不同爆破參數(shù)下的預裂爆破技術方案，并結(jié)合現(xiàn)場實測確定合理的爆破參數(shù)，研究成果可為類似礦井提供借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

伯方煤礦3205工作面井下位于二盤區(qū)左翼，北部與3207工作面采空區(qū)相鄰，南部與3203工作面空區(qū)相鄰；東側(cè)與二盤區(qū)的運輸大巷、軌道大巷和回風大巷相接。3205工作面傾斜長度157m，走向長度1384m，埋深209～341m，采用一次采全高綜放開采工藝。3205工作面主采煤層3#煤層，煤層厚度4.82～5.46m，平均 5.31m；煤層結(jié)構簡單，含 1～2 層夾矸，夾矸總厚 0.2～0.4m；煤層傾角 2～6°；平均 4°；煤層硬度f=1～2，層理、節(jié)理為中等發(fā)育。工作面頂板強度低，直接頂為灰黑色粉砂巖，裂隙發(fā)育，平均厚度3.51m，抗壓強度 11.17～18.97MPa；基本頂粉砂巖，厚度為12.34～16.46m，平14.26m，單軸抗壓強度為57.44～84.62MPa，屬于堅硬厚頂板。由于3203工作面回采期間因頂板來壓步距較大發(fā)生支架壓死現(xiàn)象，為避免安全事故的發(fā)生，決定采用頂板預裂爆破技術對3205工作面進行強制放頂。

2 預裂爆破強制放頂布置方案

2.1 強制放頂方式選擇

目前，針對堅硬頂板進行預裂爆破放頂?shù)姆椒ㄓ?種，即循環(huán)淺孔拉槽，中部拉槽和端部拉槽。其中，循環(huán)淺孔拉槽放頂是指工作面推進中每隔幾個循環(huán)，沿工作面切頂線，全長打孔進行爆破放頂，中部拉槽放頂是通過在頂板中部爆破縮短極限垮落步距，端部拉槽控制放頂是沿工作面開切眼全長向頂板打眼爆破。3種放頂方式如圖1所示。

圖1 預裂爆破強制放頂方式

由于3205工作面為綜采面，支架安裝嚴密，循環(huán)淺孔拉槽和中部拉槽放頂方式難以施工，因此，決定在綜放面采用端部拉槽的方式進行工作面初次強制放頂。其中，將拉槽地點布置在工作面開切眼內(nèi)，施工場所相對較寬敞、安全，待工作面安裝完畢試采進三刀后即開始進行拉槽作業(yè)。

2.2 切眼初次放頂方案

3205工作面沿切眼全長布置炮孔，從中部開始分別向頭尾施工放頂炮孔，共計14組，上下端頭放頂孔為每組3個，其余均為每組2個炮孔。由于井下采用ZYJ-269/168型架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆，其成孔直徑為65mm；所有炮孔仰角為60°左右；設計炮孔間距為4.2m，炮孔深度為15m，炮孔裝藥量為20kg，每孔裝藥長度10m左右。3205工作面切眼炮孔參數(shù)與布置方式分別見表1和圖2所示。

表1 切眼預裂爆破炮孔參數(shù)表

圖2 3205工作面切眼炮眼布設方案

2.3 兩巷步距式放頂方案

為進一步縮減縮短懸頂長度，減輕對支架的沖擊載荷，在工作面初次來壓之后、第一次周期來壓之前，采用兩巷步距式爆破斷頂法對3205工作面頂板進行輔助爆破強制放頂處理。為保證回風平巷和運輸平巷中步距式強制放頂?shù)男Ч胁骄喾彭斂拙疵拷M2個孔，孔深15m，仰角為50°和70°，水平轉(zhuǎn)角為50°和70°，沿工作面推進方向每隔5m進行布置，分2層設計進行爆破強制放頂，起爆方式采用毫秒延時分層起爆。放頂?shù)呐诤颓醒鄯彭斉诳讌?shù)一致，即：炮孔深度為15m，炮孔裝藥量為20kg，孔徑65mm，封孔長度5m，裝藥長度10m。兩巷放頂炮孔布置方案如圖3。

圖3 3205工作面兩巷炮孔布設方案

3 工業(yè)性試驗

切眼強制放頂工作在3205工作面試采3～4刀后開始，炮孔距離液壓支架3m，以保證爆破不影響到支架；兩巷強制放頂炮孔布置則是在初次來壓之后至第一次周期來壓之前這段時間內(nèi)。放炮使用BF-200型起爆器兩臺，兩巷各一臺，起爆方式為同一巷道一次起爆，兩臺嚴禁同時使用。所有炮孔均采用煤礦許用炸藥（三號乳化粉狀炸藥），規(guī)格為Φ50mm×500mm。重量為1kg/卷，使用煤礦許用導爆索和煤礦許用瞬發(fā)電雷管。封孔使用黃土封實，封孔分兩次進行，將黃土裝入規(guī)格為Φ30mm×400mm紙筒中，第1次先封至距孔口0.5m處，第2次封孔時，將雷管與導爆索捆綁牢固后，封土，直至全部封滿搗實，將外露雷管腳線扭接短路。炮孔均采用串聯(lián)方式聯(lián)線，每孔使用1個瞬發(fā)電雷管。

表2 3205工作面來壓步距統(tǒng)計

表3 3205工作面來壓動載系數(shù)統(tǒng)計

表4 3205工作面支架阻力統(tǒng)計

表2～表4分別為3205工作面推進初期來壓步距、支架工作阻力和來壓動載系數(shù)統(tǒng)計情況。

由表2～表4可知：

1）3205工作面初次來壓期間煤壁片幫嚴重，支架安全閥大量開啟，支架最大工作阻力達到7700kN以上，支架平均動載系數(shù)為1.64，來壓強度較高；初次來壓步距平均為39.2m，比未實施爆破斷頂?shù)墓ぷ髅嫣崆傲思s16.4m，很大程度上降低了因頂板來壓步距大而產(chǎn)生的安全隱患。

2）3205工作面周期來壓期間煤壁片幫范圍和嚴重程度均較初次來壓階段大幅降低支架安全閥開啟較少，一般少于30%，工作面動載系數(shù)平均為1.41，周期來壓強度顯著降低；周期來壓步距平均17.6m，大幅度降低了周期來壓步距，表明對堅硬頂板采取步距放頂是取得了良好效果的。

3）3205工作面來壓期間，支架平均阻力在5228.52～5888.24kN之間，為支架額定工作阻力的72.6%～81.7%；非來壓期間的平均支架阻力在3481.01～3744.83kN之間，為支架額定工作阻力的48.3%～52.0%，支架阻力富裕較大，未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，表明工作面堅硬頂板得到了有效控制。

4 結(jié) 論

1）本文基于3205工作面開采技術條件，提出切眼爆破強制放頂方案和兩巷步距式爆破放頂方案，并分別設計了炮孔布置方案。其中切眼全長布置放頂炮孔14組，上下端頭放頂孔為每組3個，其余均為每組2個炮孔；兩巷放頂炮孔每組2孔，仰角為50°和70°，水平轉(zhuǎn)角為50°和70°，分2層設計進行爆破強制放頂；

2）現(xiàn)場觀測表明，3205工作面初次來壓和周期來壓步距分別為39.2m和17.6m，初次來壓步距比未實施爆破斷頂?shù)墓ぷ髅嫣崆傲思s16.4m，來壓強度大幅度減小，支架阻力富裕較大，未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，表明工作面采取切眼強制初次放頂和兩巷步距放頂方式控制頂板具有良好效果。