堅硬頂板綜采面初采深孔預裂爆破技術研究

楊世春

（西山煤電集團公司西曲煤礦，山西 古交 030200）

許多礦井在開采過程中，煤層的直接頂或老頂為高強度堅硬頂板，煤層開采后懸頂的時間長，不易冒落，增加了頂板管理難度。若不進行強制放頂，容易造成大面積來壓等安全隱患[1]。對堅硬頂板進行切割強制放頂，不僅可以消除大面積頂板冒落產生的沖擊礦壓災害隱患，還可以有效改善工作面巷道的圍巖應力環境，減少巷道變形，利于巷道維護，從而推進礦井的安全高效生產[2-3]。鑒于此，西曲煤礦針對18403綜采工作面賦存條件，工作面開采初期直接頂初次來壓步距較大，為了使直接頂板盡早垮落，切斷頂板巖層礦壓傳播途徑，采取深孔預裂爆破方法弱化處理頂板，解決工作面開采初期存在采空區、端頭懸頂問題，實現安全高效開采。在工作面正常回采過程中，不需要進行爆破預裂頂板。

1 工程概況

1.1 工作面概況

18403工作面開采8#煤層，井下位于南四盤區南部，東部為南983運輸大巷，南部為未開采的18402工作面，北部為已回采完的18404工作面。18403工作面上覆4#煤14402、14403采空區，層間距為52～60 m；上覆2#煤12403、12404和12405采空區，層間距為65～70 m。靠近切眼西南部170 m處和360 m處上覆已關閉的永樹曲煤礦、華山煤礦2#、4#煤小窯破壞區。預計工作面回采后對相鄰巷道及工作面無影響。

18403工作面走向長度186+561 m，傾斜長度197/240 m。采用傾斜長壁后退式、一次采全高、全部垮落法綜合機械化采煤法。8#煤層厚度3.85～4.15 m，平均厚度4.05 m，煤層傾角2°～7°，平均4°，煤層埋藏深度為在162～191 m左右。工作面布置見圖1。

圖1 18403工作面布置

1.2 工作面頂底板條件

偽頂：炭質泥巖，厚度0.4 m，褐灰色炭質泥巖，炭化程度較高。

直接頂：石灰巖，厚度2.4 m，質不純，灰色石灰巖，有方解石脈，底部炭質動物化石多，底部有0.10 m泥巖，抗壓強度102.74 MPa，普氏硬度系數10.56，致密、堅硬。

老頂：細粒砂巖，厚度5.64 m，深灰色細砂巖，分選差，含少量植物化石。

直接底：細砂巖，厚度1.54 m，深灰色細砂巖，具波狀層理夾方解石細脈。抗壓強度為55.89 MPa，普氏硬度系數10.56。

老底：粉砂巖，厚度3.13 m，深灰色粉砂巖，含云母片黑色礦物及炭化屑多。

2 正副兩巷支護方式

18403工作面正巷（膠帶順槽）、副巷（回風順槽） 毛斷面積尺寸為4.5 m×3.5 m。頂錨桿采用Φ20 mm×1800 mm的無縱肋螺紋鋼錨桿，并配套碟形鐵托片，頂錨桿為矩形布置，每排打設4根，采用斜孔碟形鐵托片。正巷頂錨桿間排距為1.2 m×1.2 m，副巷為1.3 m×1.2 m。幫錨桿采用Φ20 mm×1800 mm的無縱肋螺紋鋼錨桿，幫錨桿為五花形布置，正巷幫錨桿間排距為1.0 m×1.0 m，副巷為1.0 m×1.2 m。副巷第一排幫錨桿距頂板為0.6 m，頂板裂隙發育時掛1.2 m×3.9 m的鋼筋網，兩幫滾幫大時掛設2.3 m×4.0 m的鐵絲網。

工作面切眼處，擴幫段原巷道為純錨巷道，采用錨桿+點柱支護，見圖2。擴幫段頂錨桿為矩形布置，間排距為1.2 m×1.2 m。擴幫段幫錨桿為五花形布置，間排距為1.0 m×1.0 m，第一排幫錨桿距頂板0.6 m。打設帶帽點柱兩排，間排距為2.9 m×1.2 m，長度為3.5 m，規格為直徑Φ20 mm×220 m m的優質紅松圓木，點柱柱窩深100 mm，柱帽規格（長×寬×高）600 mm×200 mm×100 mm。

擴幫段原巷道為架棚巷道時，采用錨桿+木棚+點柱聯合支護，見圖3。木棚采用“一梁四柱”，棚距為1.2 m。擴幫段頂錨桿為矩形布置，間排距為1.1 m×1.2 m。棚梁長度為7.0 m，規格為Φ20 mm×240 mm的優質紅松圓木，棚腿長度為3.3 m，規格為Φ20 mm×220 mm的優質紅松圓木。點柱打設兩排，間排距為2.9 m×1.2 m，長度為3.3 m，規格為直徑Φ20 mm×220 mm的優質紅松圓木。棚腿及點柱柱窩深100 mm。

圖2 純錨巷道擴幫段原巷道

圖3 架棚巷道擴幫段原巷道

3 工作面初采頂板深孔預裂爆破方案設計

3.1 頂板弱化處理方法選擇

直接頂為石灰巖，厚度一般2.4 m左右，巖層致密、堅硬。回采過程中頂板不易垮落，易在端頭形成大面積懸頂。由于8#煤層頂板石灰巖吸水率較低，且注水軟化周期長，不宜采用。高壓注水壓裂與頂板注入膨脹劑也僅在試驗階段。爆破弱化在我國煤礦開采初始就已使用，各項措施完善，技術成熟。

綜上所述，18403工作面頂板宜選用開切眼深孔預裂爆破方法進行弱化處理。

3.2 深孔預裂爆破技術參數

（1）炮孔布置

18403工作面初采期共施工炮孔241個，炮孔深度為7 m ，炮孔均垂直于頂板。施工炮孔總長1687 m。根據現有條件，炮孔直徑42 mm，炸藥為三級煤礦許用乳化炸藥，藥卷規格為Φ35 mm×200 mm，200 g/卷，徑向裝藥不耦合系數為1.2。

18403工作面開采前，由于工作面切眼設備已經安裝好，故切眼炮孔施工在工作面安裝試運轉割煤3刀后進行，此時切眼內有2.0～2.4 m空間，能夠滿足打鉆空間。正、副巷炮孔可提前布置。

a、切眼炮孔布置

在切眼兩端布置兩排炮孔，范圍分別為：副巷內幫到切眼內60 m范圍（共計79個）；正巷內幫到切眼內50 m范圍（共計65個）。

炮孔間距1.5 m，排距0.6～0.8 m（考慮頂板錨桿位置，可在此范圍內調整），靠近采空區幫的一排炮孔距外幫0.5～0.7 m（考慮頂板錨桿位置，可在此范圍內調整），兩排炮孔交替布置。

炮孔直徑定為42 mm，炮孔深度為7 m ，炮孔垂直于頂板。

b、正、副巷炮孔布置

①正巷炮孔布置

沿正巷軸向方向布置一排炮孔，炮孔間距為1.0 m，距外幫1.0～1.2 m（考慮頂板錨桿位置，可在此范圍內調整）。炮孔編號分別用符號Z1、Z2、Z3……表示，共40個，最靠近切眼外幫的炮孔距切眼采空區幫1.5 m。

沿正巷與切眼軸向方向布置一排炮孔，炮孔距切眼采空區幫1.5 m，炮孔間距為0.6 m，共布置8個炮孔（正巷寬度4.5 m）。

炮孔直徑為42 mm，炮孔深度為7 m，炮孔垂直于頂板。初采期間從切眼端頭至工作面煤壁前30 m內連續布置炮孔，之后隨工作面推進依次布置炮孔，并加強支護。

②副巷炮孔布置

沿副巷軸向方向布置一排炮孔，炮孔間距為1.0 m，距外幫0.3～0.5 m（考慮頂板錨桿位置，可在此范圍內調整）。炮孔編號分別用符號F1、F2、F3……表示，共34個，最靠近切眼外幫的炮孔距切眼采空區幫1.5 m。

沿副巷與切眼軸向方向布置一排炮孔，炮孔距切眼采空區幫1.5 m，炮孔間距為0.6 m，共布置6個炮孔（副巷寬度4.5 m）。

炮孔直徑為42 mm，炮孔深度為7 m，炮孔垂直于頂板。初采期間從切眼端頭至工作面煤壁前30 m內連續布置炮孔，之后隨工作面推進依次布置炮孔，并加強支護。

③其他補加炮孔說明

為提高端頭預裂效果，在正、副巷內距工作面煤壁前3～5 m范圍布置垂直于巷道軸向方向一排炮孔（正巷布置在放水孔前1 m左右，要避開放水孔），正、副巷共補加9個孔，施工炮孔后，炮孔位置加強支護。其中：

副巷補加5個炮孔均勻布置，靠內幫炮孔距內幫0.5 m，間距700 mm。

正巷補加4個炮孔均勻布置，靠內幫炮孔距內幫0.3 m，間距800 mm。

炮孔具體布置見圖4。

圖4 深孔預裂爆破炮孔設計方案

（2）炮孔裝藥和封泥參數

每個炮孔計算裝藥長度5 m，封泥長度1.5～2 m，暫定2 m。藥卷規格為Φ35 mm×200 mm，200 g/卷。炮孔參數與裝藥量見表1。

表1 工作面端頭頂板弱化處理炮孔參數與計算裝藥量

（3）爆破時間和方式

放炮使用FD-200Z型起爆器，分組裝藥、分次爆破。一茬炮聯線采用“局部并聯，總體串聯”的方式進行，每次起爆最多不能超過10個炮孔。

起爆順序從切眼的正巷向副巷方向依次裝藥爆破，之后在副巷從里至外依次裝藥爆破，最后在正巷從里至外依次裝藥爆破。

4 正副兩巷加強支護方案

超前工作面30 m加強正、副巷支護，正巷、副巷距工作面30 m范圍內打設3排單體支柱，單體支柱間架設柱距1 m。

正巷中第一排距工作面煤幫800 mm，第二排距第一排800 mm，第三排距保險幫800 mm，柱上架設π型梁。正巷受設備影響，根據設備現場情況可以適當調整單體間排距，但必須保證支護質量和數量。

副巷中第一排距副幫800 mm，第二排距第一排800 mm，第三排距工作面煤幫800 mm，柱上架設π型梁。

工作面端頭支架與超前支護間距不應大于0.5 m。具體超前支護情況見圖5、圖6。

圖5 正巷超前加強支護

圖6 副巷超前加強支護

5 結語

針對西曲煤礦18403工作面堅硬頂板懸空較大容易引起劇烈來壓等問題，確定了工作面正巷、副巷與切眼的具體支護方式，根據工作面具體條件，選用工作面開切眼、端頭、兩巷超前支護段深孔預裂爆破的方法對頂板進行弱化處理。根據工程經驗和理論分析確定了18403工作面共施工炮孔241個，炮孔深度為7 m ，炮孔均垂直于頂板。施工炮孔總長1687 m。最后針對正、副巷道進行超前30 m進行加強支護，正巷、副巷距工作面30 m范圍內打設3排單體支柱，單體支柱間架設柱距1 m。