厚層堅硬頂板采煤工作面深孔爆破強制放頂實踐

李 剛

（潞安集團潞寧煤業有限責任公司，山西 寧武 036706）

堅硬頂板是指煤層上方存在的高強度完整性巖層。與普通頂板相比較，堅硬頂板易造成大面積懸頂結構，導致煤體壓力增大，同時頂板破斷往往伴隨著巨大的能量釋放，易引發礦井災害。目前處理堅硬頂板的措施主要有高壓注水技術、煤柱支撐技術、預裂爆破技術等。其中預裂爆破技術由于其操作簡單、成本較低而作為主要技術手段。本文以潞寧煤礦24012 工作面為研究背景，針對厚層堅硬頂板大面積懸露現象，設計相匹配的強制放頂技術，并結合現場實測確定合理的爆破參數，實踐成果可為類似工程案例提供借鑒。

1 工程地質概況

24102工作面位于井田西南部的二四采區，上部、下部均為未采動區域。開采侏羅系大同組上部的2#煤，煤層厚度1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m，f=3.5，煤層傾角為2°～3°，平均傾角2.5°。煤層直接頂為3～7.3 m 厚的泥巖與粉砂巖，多為交替出現，強度低且易破碎，抗壓強度為10.6～17 MPa；基本頂為細粒砂巖，厚15 m，石英為主，鈣質膠結，致密完整，裂隙不發育，單軸抗壓強度為50～80 MPa，屬于堅硬厚頂板。

2 堅硬頂板強制放頂方案設計

2.1 頂板初次來壓與周期來壓步距計算

在進行強制放頂爆破方案設計前，通過建立采場結構力學模型進行初次來壓和周期來壓步距計算，依此確定采用何種放頂方式。當采場頂板初次來壓時是由切眼后煤體及工作面前方煤體雙支撐，因此將頂板初次來壓時的基本頂當做兩端固支梁計算，計算公式如下：

式中

Lc-初次來壓步距，m；

h-基本頂厚度，m；

R-基本頂抗拉強度，MPa；

q-基本頂承受載荷，MPa。

當初次來壓后，隨著工作面的推進，基本頂將會發生周期性破斷。此時只有工作面前方煤體作為巖梁的一個支點，所以周期來壓時應當把基本頂當作一端固支的懸臂梁，計算公式如下：

式中

Lz-周期來壓步距，m；

h-基本頂厚度，m；

R-基本頂抗拉強度，MPa；

q-基本頂承受載荷，MPa。

根據24102 工作面實際地質參數，取h=15 m，R=80 MPa，q=10.0 MPa，代入式（1）和（2）得，初次來壓步距為Lc=60 m，周期來壓步距Lz=25 m。由此可以預計，在不采取弱化頂板的措施情況下，24012 工作面將會出現較大來壓步距，對安全生產造成隱患。因此考慮在工作面切眼與兩巷內均進行強制放頂操作。

2.2 切眼初次放頂方案

24102 工作面切眼全長245.72 m，強制放頂共布置41 個炮孔，如圖1 所示。其中A、B、C、D1～D14、G、H 布置在切眼靠近老塘側，距切眼靠老塘側煤墻距離≤500 mm，所有炮孔平行于切眼向下山方向鉆進；E1～E16 布置在距D 排孔1 m 的平行線上，所有炮孔與切眼軸線成60°角向下山方向鉆進。M1、M2 和N1、N2、N3、N4 炮眼分別布置在運巷、風巷超前支護段內。其中M1、M2 與水平方向成36°和43°，N1、N2、N3、N4 與水平方向成58°、70°、70°、70°。詳細爆破參數見表1。

圖1 切眼深孔爆破布置圖

表1 切眼深孔爆破參數

2.3 兩巷步距式放頂方案

為減小周期來壓步距，在兩巷采用周期性深孔預裂爆破進行輔助爆破放頂，如圖2 所示。炮孔沿兩巷分組間隔布置，相鄰兩組炮孔中心B 間距18m，兩巷每組各有7 個炮孔，分別為A、B、C、D1、D2、D3、D4 孔。 其 中D1、D2、D3、D4 孔均勻分布在兩組炮孔的中間，兩巷的A、B、C 三孔間距均為0.5 m，在距頂板1 m 位置處，沿垂直煤墻方向打設炮孔。詳細爆破參數見表2。

圖2 兩巷深孔爆破布置圖

表2 兩巷深孔爆破參數

3 工業性試驗

3.1 施工工藝

鉆孔采用ZLJ-650 鉆機，鉆頭直徑65 mm，鉆桿直徑Φ42 mm，每根鉆桿長度1.5 m。根據設計的炮孔布置方式和參數進行打孔，打孔最少超前工作面煤壁40 m。爆破相關設備與材料均采用煤礦許用產品，炸藥使用藥卷規格Φ45×450 mm 的3 號乳化炸藥，雷管采用普通8#瞬發電雷管，導爆索采用規格為Φ5.2～5.5 mm 的導爆索。為確保爆破效果，采用連續耦合方式進行裝藥，配合雙雷管加雙導爆索引爆。封孔材料選用顆粒度＜5 mm 黃土，用水濕潤至可用手捏成團狀。采用MFB-200 型起爆器起爆，起爆前將電雷管纏繞于起爆藥包，并將起爆器導線與起爆藥包牢固連接，采取“局部并聯，整體串聯”的方式進行起爆。

3.2 放頂效果分析

施工中將工作面分為三塊監測區域，分別記錄各區域周期來壓步距數據，統計結果見表3。以理論計算為參考，實施強制放頂后，初次來壓步距為35.3 m，減少約25 m，周期來壓步距減小至15.7 m，減少約10 m。實踐證明，所設計深孔爆破方案達到設計初衷，有效降低了來壓步距。

表3 24102 工作面來壓步距統計

4 結論

（1）通過對24102 工作面整體考慮，將爆破放頂設計為切眼內與兩巷處分別進行的方案。其中切眼處共布置41 個炮孔，兩巷每組7 個炮孔，18 m一組間隔循環，既能滿足爆破效果，又節約了資源，對相關工程案例的實施提供了借鑒。

（2）通過構建采場結構力學模型，計算得初次來壓步距為60 m，周期來壓步距為25 m。實施強制放頂后，經現場觀測相較于理論預估，初次來壓步距提前25 m，周期來壓提前約10 m，表明強制放頂操作取得了良好效果，確保了安全生產的需要。