深孔預裂爆破技術在綜放工作面中的應用

安新龍 孫興磊 位書鑫

（鄭宏恒泰（新密）煤業有限公司，河南 鄭州 452376）

工作面上方若存在一定厚度的堅硬砂巖、礫巖或石灰巖，則該頂板稱之為堅硬頂板[1]。堅硬頂板如果不采取措施，容易發生大面積懸頂的情況，一旦大面積垮落，將給工作面帶來強烈的礦壓顯現，造成支架壓死、冒頂和片幫等，給煤礦生產帶來極大的安全隱患[2-3]。目前，解決堅硬頂板懸而不垮的措施有：定向切割頂板技術、定向水力壓裂預裂和深孔預裂爆破等，其中深孔預裂爆破技術應用比較成熟[4-5]。

1 工程概況

恒泰煤礦13020 綜放工作面位于13 采區下山西翼，為首采面，該工作面東部為13 采區下山，北部是任崗斷層，西部是井田邊界，南部是未開采區域。該工作面開采山西組二1 煤層，煤層平均厚度7.2 m，傾角18°～22°，走向長430 m，傾斜長150 m。煤層無直接頂，基本頂為中粒砂巖組成的堅硬底板，巖性致密堅硬、難冒落，堅硬頂板平均厚度36.1 m，巖石單向抗壓強度為89 MPa。煤層為松散煤層，硬度系數f=0.3～0.5。工作面底板為砂質泥巖。

在13020 工作面上、下副巷由里向外各施工布置3 個探查孔，鉆孔間距100 m，均垂直巖層傾向。設計布置鉆孔探查煤層頂板情況，通過6 個鉆孔柱狀和巖芯對比，可知13020 切巷向外80 m 范圍內煤層偽頂、直接頂大量缺失，基本頂砂巖（中粒砂巖）厚度26.5～38.3 m，巖性致密堅硬，預計難以冒落。

2 深孔預裂爆破放頂方案

結合上述情況，確定在工作面及上、下副巷鉆場進行深孔預裂切頂。工作面支架安裝前，在切眼內對堅硬頂板預裂爆破，在上下副巷采取深孔超前預裂爆破進行切頂處理。

2.1 工作面切巷深孔預裂鉆孔布置

13020 工作面切巷全長布置炮孔，深孔預裂炮孔共計布置88 個，采用ZYJ-269/168 型架柱式液壓回轉鉆，孔徑65 mm。將工作面分三段，炮孔間距分別為：上部2.1 m，中部1.8 m，下部1.5 m。炮孔與水平方向的夾角β=55o。炮孔深度超出基本頂上邊界0.1 m。鉆孔布置如圖1，開切眼預裂切縫剖面圖如圖2。

圖1 鉆孔布置示意圖

圖2 開切眼預裂切縫剖面圖

2.2 工作面超前預裂鉆孔布置

13020 工作面超前深孔預裂爆破采用巷道雙向鉆孔切斷基本頂。1#號鉆場位于上副巷，超前采煤工作面20 m；2#號鉆場位于下副巷，超前采煤工作面20 m；3#號鉆場位于下副巷，超前采煤工作面距離35 m。上、下副巷鉆場超前預裂爆破炮眼布置圖如圖3。

圖3 上、下副巷鉆場超前預裂爆破炮眼布置圖

3 效果檢驗

3.1 切巷爆破后的效果

在13020 工作面切巷安裝礦用鉆孔成像軌跡監測裝置進行圍巖結構觀測，分析爆破預裂前后圍巖變形與破壞特征。共布置3 個窺視鉆孔，1 號窺視孔位于工作面上部，2 號窺視孔位于工作面中部，3號窺視孔位于工作面下部。

1 號窺視孔觀測結果表明，圍巖中存在各種裂隙和空洞，有些裂隙張開度很大，有些孔段巖體非常破碎，容易出現塌孔現象。窺視結果如表1 和圖4。

表1 13020 切眼1 號窺視孔觀測結果

圖4 1 號窺視孔圍巖結構觀測圖像

2 號窺視孔觀測結果表明，圍巖中存在各種裂隙和輕微空洞，有些裂隙張開度不大但有穿孔跡象。具體結果如表2 和圖5。

表2 13020 切眼2 號窺視孔觀測結果

圖5 2 號窺視孔圍巖結構觀測圖像

3 號窺視孔觀測結果表明，圍巖中存在裂隙和空洞，裂隙明顯。窺視結果如表3 和圖6。

表3 13020 切眼3 號窺視孔觀測結果

圖6 3 號窺視孔圍巖結構觀測圖像

通過3 個窺視孔的觀測，切巷圍巖中存在明顯裂隙和空洞。有些裂隙張開度很大，部分孔段巖體非常破碎，容易出現塌孔現象。有些鉆孔內環形裂隙明顯，有穿孔跡象，裂隙明顯。總之，爆破效果符合預期。

3.2 基本頂初次來壓情況

13020 綜采工作面實施頂板預裂爆破及超前鉆場深孔預裂爆破后，回采期間基本頂初次來壓步距統計平均值為15 m，周期來壓步距為10 m 左右，頂板能隨工作面回采及時垮落，充填采空區。

為進一步改善頂板垮落效果，在工作面推采期間，將工作面進行調斜，盡量讓工作面切巷深孔預裂方向及超前鉆孔預裂方向斜交。工作面上部頂板隨著工作面推采垮落較為及時，在初次來壓之前，爆破孔內的PVC 管受鉆孔裂隙錯動影響下落至采空區。下副巷推采至20 m 左右時，基本頂初次來壓。工作面初次來壓表現為：出現有悶雷聲，在第40 架液壓支架位置尾部出現矸石，并呈大小不規則形狀、塊度不均，大的矸石可達10 m3左右，礦壓監測在線監測數據壓力有所增加。

3.3 基本頂周期來壓期間頂板垮落情況

13020 工作面切巷向外，偽頂及直接頂逐步發育，厚度逐步增加，且基本頂中粒砂巖中部有砂質泥巖夾層。工作面初次來壓結束后，基本頂垮落，工作面每推進15 m 左右時，工作面周期性來壓。周期來壓期間支架工作阻力增加，煤壁片幫架數增多。待工作面周期來壓結束后，工作阻力恢復正常狀態，煤壁不再片幫。

4 結語

13020 工作面堅硬頂板，通過切巷深孔預裂爆破、上下副巷超前預裂爆破、調斜工作面、煤層注水和加快推進速度等措施，工作面初次來壓和周期來壓步距始終處在可控范圍，有效防止了工作面頂板事故的發生，實現了安全回采。