煤礦井下深孔爆破技術的應用研究

周密林

(中國煤炭科工集團山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006)

引 言

煤礦井下綜采作業過程中對巷道頂板的管理是確保煤礦井下綜采作業安全的核心，隨著煤礦綜采技術的不斷進步，煤炭的綜采作業深度不斷提升，井下巷道頂板的復雜程度不斷加大，特別是在井下厚煤層綜采作業過程中，頂板硬度大、厚度高、平衡結構向著頂板深處轉移，導致頂板無法在礦壓波動下進行自行垮落，經常出現頂板垮落不及時而導致的頂板懸臂過長、大面積空頂、頂板突然垮落等，給煤礦井下的綜采作業安全帶來了嚴重的隱患[1]。因此，如何實現對堅硬頂板的預處理，使其按照一定的方案和規律垮落，確保綜采作業安全便成了煤礦生產企業不斷研究的難題。本文在前人研究的基礎上，結合煤礦井下厚煤層堅硬頂板的特殊結構，提出了一種新的煤礦井下深孔爆破技術，其靈活地運用深孔爆破的方式實現對頂板預裂縫位置的控制，滿足不同情況下的頂板可控垮落需求，不僅極大地提升了綜采作業期間的頂煤出采率，而且也能夠有效地對頂板來壓的強度進行緩沖，根據實際應用表明，煤礦井下深孔爆破技術方案能夠有效地處理頂板硬度大、無法自行垮落的現象，頂煤出采率提升24.1%以上，給煤礦井下的綜采作業安全和綜采經濟性帶來了極大的提升。

1 深孔爆破方案分析

本文以煤礦井下典型的厚煤層綜采作業面為研究對象，該綜采面的平均埋深為670 m，綜采面長度約為755 m，傾斜部分的長度約為271 m，巷道的一側為采空區，一側為待采區域，巷道直接頂為3.41 m厚的泥沙巖，頂板厚度為11.12 m，巖層的抗拉強度為8.4 MPa，巖層結構較硬，實際測算的初次垮落步距達到了47 m，極易出現超長懸空頂，一旦發生突然垮塌，容易導致瓦斯突出、人員傷亡等事故。由于該煤層巷道頂板結構強度大、韌性強，因此傳統的水力壓裂頂板的控制方案不僅效率較低，而且難以起到顯著的預裂效果，因此本文提出了深孔爆破欲裂頂板方案。

由于煤礦井下綜采面頂板的割煤高度、放煤高度等直接影響到頂板垮落后的充填效果，影響到井下綜采面的施工難度[2]，因此在進行預爆破設計時一般以垮落的頂板能夠將采空區進行完全充填為目標，此時放頂板爆破時的距離HX可表示為式(1)[3]。

(HX+HF)ξ=HC+HF+HX

(1)

式中，HC為井下割煤高度，取3.4 m；HF為井下放煤高度為，取6.1 m；ξ為頂板巖層的碎脹系數，取1.2。

由此計算可知，在此狀態下頂板的爆破距離設置為10.9 m。

由于一般井下綜采面的切眼上方會有一定厚度的頂煤，因此實際爆破孔的選擇需要根據頂煤厚度H和計算出的爆破距離HX進行設置，實際的爆破距離為(H+HX)。在進行爆破孔設置時，與煤層之間的傾角設置為45°，爆破孔的深度設置為21 m。在對爆破孔設置時需要根據頂板巖層的實際厚度進行選擇，一般頂板厚度小于3 m時設置一排爆破孔即可，當頂板厚度超過3 m時就需要設置2排以上的爆破孔，根據該井下巖層的實際特點設置2排爆破孔，一排設置在進風巷一側，一排設置到回風巷一側，爆破孔的仰角和切眼方向呈45°角，且朝著綜采面綜采方向有9.8°的擺角，爆破孔的設置如圖1所示。

圖1 煤礦井下爆破孔設置示意圖

完成爆破后煤礦井下綜采面的充填情況如圖2所示。

圖2 爆破后充填效果示意圖

由圖2可知，采用雙排爆破方案后，綜采面的頂板上側能夠產生明顯的垮落區域，頂煤及巖層能夠完全垮落，當綜采面的支護液壓支架隨著綜采作業的進行，逐漸前移時，垮落的頂煤和頂板能夠及時將采空區域進行充填，而且頂煤位于充填區域的前端，能夠進一步提升頂煤的出采率，根據實際分析驗證，該方案下頂煤的出采率可以提升24.1%以上，能夠顯著提升綜采作業的經濟性。

2 深孔爆破穩定性分析

為了對深孔爆破后巷道頂板來壓效果進行分析，本文利用礦壓數據監測設備[4]，對深孔爆破后的區域進行綜采過程的連續性礦壓和液壓支架支護時的工作阻力進行監測，結果如圖3所示。

由圖3可知，在爆破后頂板初次來壓的過程中，綜采面液壓支架的支護阻力大多數表現出了上升的趨勢，部分液壓支架的支護阻力已經超過了設定的7 000 kN的額定工作阻力，達到了開啟安全閥進行泄壓的階段，但達到泄壓的支架數量極少而且持續時間較短，表明了對頂板來壓的控制效果較好，滿足井下安全支護的需求。

圖3 煤礦井下液壓支架支護阻力變化示意圖

3 結論

針性煤礦井下厚煤層綜采作業面頂板硬度大、厚度高，難垮落，給煤礦井下綜采作業安全帶來嚴重隱患的現狀，本文提出了一種新的以人工對頂板進行深孔爆破，控制頂板垮落的技術，其靈活的運用深孔爆破的方式實現對頂板預裂縫位置的控制，滿足不同情況下的頂板可控垮落需求，根據實際應用表明：

a) 進行預爆破設計時一般以垮落的頂板能夠將采空區進行完全充填為目標，確保爆破的經濟性和安全性；

b) 實際爆破孔的選擇需要根據頂煤厚度H和計算出的爆破距離HX進行設置，實際的爆破距離為(H+HX)，頂板厚度小于3 m時設置一排爆破孔即可，當頂板厚度超過3 m時就需要設置2排以上的爆破孔；

c) 該方案下頂煤的出采率可以提升24.1%以上，能夠顯著提升綜采作業的經濟性，同時爆破后頂板初次來壓持續時間段，壓力小，表明了深孔爆破方案能夠有效地控制來壓強度，提升煤礦井下的綜采作業安全。