8605 工作面堅硬砂巖頂板深孔預裂爆破卸壓技術研究

常建飛

（山西大同煤礦集團有限公司煤峪口礦，山西 大同 037003）

厚硬頂板的存在會對工作面的正常回采帶來一定影響，采取合理的卸壓措施是確保采場頂板穩定的關鍵。當采場上覆厚硬頂板時，工作面開采過程中礦壓集中現象較為明顯，受懸頂影響支架工作阻力升高、煤壁破壞片幫，影響工作面安全，因此需要對頂板進行卸壓處理，有諸多學者曾對此進行了研究[1-4]。

煤峪口煤礦8605 工作面基本頂為厚硬砂巖，不易自然垮落，隨著工作面的推進在采空區后方形成大面積懸露，頂板的突然垮落極易引起災害的發生。針對工作面開采實際，提出在工作面內布置爆破鉆孔，采取深孔預裂爆破措施對頂板進行卸壓處理，研究了爆破炮孔布置方式與布置參數。

1 工程背景

8605 工作面位于406 盤區，平均埋深為400 m，面寬為129.6 m，推進距離為540 m。工作面運輸順槽為矩形機軌合一巷，長度717 m，回風順槽為矩形巷，長度758 m。所采煤層為14-2#煤，煤層厚1.7～3.6 m，平均厚度為2.5 m，煤層傾角為1°～3°，平均傾角為2°。14-2#煤煤質呈半暗型，較硬，含節理，工作面上覆基本頂為厚5.08 m 的砂巖。頂板賦存情況見表1。

2 頂板弱化卸壓技術確定

2.1 深孔預裂爆破技術

8605 工作面上覆基本頂巖性堅硬，整體性及穩定性較好，在采面推進過程中易發生懸頂，不易及時垮落。針對工作面頂板賦存特征，為了保障工作面的安全與正常推進，需要采取合理、有效的方法弱化采空區頂板，即需改變頂板的賦存形態或改變頂板砂巖層的物理強度，以使其能夠正常垮落，減小采空區懸頂面積，防止大面積、大強度的頂板來壓現象對工作面回采造成危害。

根據8605 回采工作面具體布置情況以及頂板特征，綜合考慮對8605 綜采工作面采用深孔預裂爆破頂板的方式處理其煤層上覆堅硬砂巖頂。該處理方式可合理地把握頂板冒放的高度與跨度，減小頂板的一次垮落面積，近可能地達到理想的放頂效果。

深孔預裂爆破即在采煤工作面內向煤層頂板進行打孔爆破，以實現對煤層頂板形成塑性破壞、釋放壓力的目的，原堅硬頂板將隨工作面回采推進而自然垮落。該處理方式可有效縮短頂板的來壓步距，降低頂板懸露時間過長而產生突然來壓的風險。

2.2 深孔爆破基本參數設計

（1）預裂爆破角度

鉆孔角度會影響裝藥工作的開展，不僅要保證藥卷不會發生下滑，并且要降低施工成本。綜合考慮后，設計鉆孔角度為45°。

（2）預裂爆破高度

鉆孔長度顯著影響預裂爆破的成效，需基于進行弱化卸壓堅硬巖層的稟賦特征確定。根據8605綜采工作面布置情況可知，工作面設計采高為2.5 m，上覆5.08 m 硬砂巖頂板，為了能夠使得爆破垮落的頂板能夠完全填滿采空區，應合理設計放頂深度。爆破有效放頂深度H 為：

式中：M 為采高，取2.5 m；Kp為矸石碎脹系數，參考實際情況取1.262。則H=9.5 m。根據鉆孔仰角度為45°計算，則鉆孔長度L=H/sin45°=13.5 m。

（3）預裂爆破鉆孔間距

爆破鉆孔間距由爆破裂隙區的直徑決定。由于預裂爆破的主要目的是在頂板產生貫通裂隙，因此鉆孔的間距應小于裂隙區直徑。同時巖石力學性能及炸藥的威力也會直接決定裂隙發育情況。基于現場試驗結果，設計鉆孔間距為6 m，選用2 號煤礦許用乳化炸藥。

（4）爆破循環步距

在采面回采期間均采取預裂爆破不僅工程量大，而且影響采面推進速度，所以需要合理設計爆破循環步距。基于8605 工作面的開采參數、巖石特征等現場條件，結合以往類似工作面開采經驗，綜合確定爆破循環步距為18 m。

深孔預裂爆破鉆孔布置如圖1，具體施工參數見表2。

表1 煤層頂板巖性特征

圖1 深孔預裂爆破鉆孔布置

表2 預裂爆破鉆孔施工參數

3 現場應用效果

采取深孔預裂爆破措施對工作面頂板進行卸壓后，上覆厚硬砂巖頂板力學性能及整體結構被弱化，可以緩解工作面煤壁及支架承受的載荷。為驗證頂板卸壓效果，對工作面頂板來壓情況進行了礦壓觀測分析。

8605 工作面支架安裝后，回采前在開切眼內準備深孔預裂爆破頂板卸壓。采面推進5 m 后，于支架后方做爆破準備工作。起爆順序設計為由運輸巷端頭向回風巷端頭順序依次起爆。經過爆破后，頂板能夠明顯發現爆破產生的裂隙。采面回采一定距離后，堅硬頂板能夠及時破斷。礦壓觀測結果表明，8605 工作面基本頂的初次破斷距離為23.9 m，周期破斷距離為18.6 m。根據工作面安裝的支架工作阻力監測系統結果，可分析得出頂板來壓情況。監測系統分上、中、下3 個區域，共安裝9 個傳感器實時監測支架的工作阻力。在頂板來壓期間，支架仍有一定的富余阻力。工作面頂板初次來壓情況見表3。

表3 工作面初次來壓步距統計

基于對工作面礦壓觀測結果的分析，可以得出采取深孔預裂爆破措施后能夠有效地對厚硬砂巖頂板進行弱化卸壓，同406 采區已采工作面的初次來壓步距46.8 m 相比，縮短了22.9 m，降低了煤壁和支架承受的載荷，工作面不再發生頂板懸露及煤壁片幫現象，保證了工作面的安全回采。

4 結論

（1）針對8605 厚硬砂巖頂板工作面礦壓顯現強烈這一問題，為控制巷道變形，提出采取深孔預裂爆破措施對頂板進行卸壓處理。

（2）采取頂板預裂爆破措施后，現場實測表明卸壓效果明顯，不再出現頂板懸露現象，工作面礦壓顯現較為平穩。