佳峰煤礦堅(jiān)硬頂板劣化卸壓技術(shù)研究

馮世鼎

(山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司 佳峰煤礦，山西 孝義 032300)

峰礦1111工作面上覆厚硬石灰?guī)r基本頂，結(jié)構(gòu)致密、巖體堅(jiān)硬，若不在回采前采取措施，頂板會產(chǎn)生大面積懸露，基本頂初次來壓易出現(xiàn)動(dòng)力沖擊現(xiàn)象，威脅采面安全。對于堅(jiān)硬頂板懸露問題，專家學(xué)者已開展了深入研究，并提出了劣化卸壓技術(shù)有效消除生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)[1-4]。針對1111工作面實(shí)際條件，提出在回采前于開切眼處通過深孔爆破對石灰?guī)r頂板進(jìn)行劣化處理，以控制頂板懸露長度，保證基本頂及時(shí)垮落；根據(jù)采面開采參數(shù)設(shè)計(jì)了爆破炮孔布置方式與布置參數(shù)。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，石灰?guī)r基本頂經(jīng)過劣化處理后能及時(shí)垮落，工作面初次來壓較為平穩(wěn)，初次來壓步距僅為23.1 m；在基本頂來壓期間，未出現(xiàn)煤壁片幫、壓架等現(xiàn)象，支架承受載荷較小，有效保障了采面生產(chǎn)安全。

1 工程背景

佳峰煤礦1111綜放工作面屬于+820 m水平一采區(qū)，位于軌道大巷1 100 m處，南為規(guī)劃的1112綜放工作面，西為膠帶大巷，東至井田邊界，北為規(guī)劃的1110綜放工作面。工作面標(biāo)高為+815～+849 m，地面標(biāo)高為+1 005～+1 108 m。工作面沿煤層走向布置，沿煤層傾向推進(jìn)，走向長度為140 m，傾斜長度為1 390 m。工作面開采10+11號煤層，煤層厚度為6 m，煤層傾角為0～8°。工作面上方有一層厚達(dá)6.87 m的石灰?guī)r，巖性堅(jiān)硬致密，頂?shù)装遒x存情況如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

針對1111工作面上覆厚達(dá)6.87 m的石灰?guī)r基本頂問題，需在采面回采前提前采取措施控制頂板初次垮落距離，避免頂板懸露現(xiàn)象的出現(xiàn)，否則頂板懸露積聚能量的突然釋放易引起煤壁片幫、支架壓死等現(xiàn)象，引起的動(dòng)力能量威脅采面人員設(shè)備的安全生產(chǎn)。

2 深孔預(yù)裂頂板卸壓技術(shù)

2.1 頂板劣化技術(shù)確定

為解決工作面上覆堅(jiān)硬頂板易懸露引起的安全問題，專家學(xué)者通過研究及實(shí)踐提出了一系列較為成熟的頂板劣化技術(shù)，以保障采面的生產(chǎn)安全，目前應(yīng)用較為廣泛的頂板劣化卸壓技術(shù)可分為注水劣化和爆破劣化兩種。注水劣化技術(shù)是通過向巖體內(nèi)注水以劣化巖體的物力力學(xué)性能。爆破劣化技術(shù)是利用炸藥的沖擊波破壞堅(jiān)硬巖體的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能，主要分為3類：循環(huán)式淺孔放頂、超前深孔預(yù)裂爆破和地面深孔放頂，其中深孔預(yù)裂爆破現(xiàn)場應(yīng)用較為普遍。

深孔預(yù)裂爆破卸壓技術(shù)的本質(zhì)是通過鉆孔爆破產(chǎn)生的沖擊能量破壞巖體結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生爆破裂縫，從而劣化其力學(xué)性能。通常在工作面開切眼或兩巷內(nèi)向頂板打預(yù)裂鉆孔，然后安裝炸藥進(jìn)行爆破，經(jīng)過爆破卸壓后頂板積聚的能量得到釋放，可有效控制頂板的懸露長度，頂板來壓較為平緩，避免了動(dòng)力沖擊現(xiàn)象的發(fā)生。

綜合考慮技術(shù)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工時(shí)間等因素，決定采用深孔爆破的方式提前對1111工作面石灰?guī)r基本頂進(jìn)行劣化處理，以控制頂板懸露跨度，保證回采安全。

2.2 深孔爆破基本參數(shù)設(shè)計(jì)

1) 深孔爆破角度。為保證爆破效果，同時(shí)避免因鉆孔角度過高藥卷下滑，綜合考慮后確定鉆孔角度為45°。

2) 深孔爆破高度。深孔爆破的高度由鉆孔長度和角度控制，需合理設(shè)計(jì)鉆孔長度以保證對目標(biāo)巖層充分卸壓，由于1111工作面直接頂厚度為0.87 m，基本頂厚度為6.87 m，據(jù)此確定鉆孔爆破高度為7.74 m，則鉆孔長度為10.9 m。

3) 爆破鉆孔間距。深孔預(yù)裂爆破的爆破沖擊波產(chǎn)生的壓碎區(qū)半徑有限，難以決定頂板的弱化效果，而爆破產(chǎn)生的裂隙區(qū)范圍較大，盡管在爆破作用下產(chǎn)生的裂隙還不能使頂板垮落，受超前集中應(yīng)力疊加作用，隨著工作面移架，支架后方頂板會沿爆破裂縫破斷垮落。

因此，爆破產(chǎn)生的破碎區(qū)和裂隙區(qū)半徑是影響爆破鉆孔間距的關(guān)鍵因素，而爆破裂隙發(fā)育范圍是由巖石力學(xué)性能及炸藥的爆破性能共同決定的?？筛鶕?jù)爆炸產(chǎn)生的裂隙區(qū)半徑確定深孔預(yù)裂爆破的鉆孔間距，基于深孔預(yù)裂爆破的相關(guān)理論，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到破碎區(qū)半徑為0.41～0.85 m，平均值為0.61 m；裂隙區(qū)半徑為2.18～3.64 m，平均值為2.93 m。

由于井下爆破采取的是“分組裝藥，分次爆破”的爆破工藝，上組炮孔的爆炸沖擊波不能破壞下一組炮孔，避免發(fā)生安全事故，因此最終確定鉆孔間距為6 m，選用2號煤礦許用乳化炸藥。鑒于現(xiàn)場施工條件的復(fù)雜性和特殊性，可適當(dāng)調(diào)整鉆孔間距。

4) 爆破循環(huán)步距。爆破的循環(huán)步距確定需要綜合考慮爆破效果和工程量，根據(jù)1111工作面的開采設(shè)計(jì)及地質(zhì)條件，結(jié)合之前的爆破經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，確定爆破循環(huán)步距為15 m。

深孔爆破的鉆孔布置示意圖見圖1，鉆孔施工參數(shù)見表2。

圖1 深孔爆破鉆孔布置

表2 深孔爆破鉆孔施工參數(shù)

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

通過采取深孔爆破措施，1111工作面頂板厚硬石灰?guī)r的巖體力學(xué)性能被劣化破壞，保證了頂板能及時(shí)垮落，抑制了應(yīng)力和能量在上方頂板的積聚，避免了煤壁片幫和壓架等現(xiàn)象的發(fā)生。為驗(yàn)證頂板的劣化效果，對采場礦壓情況進(jìn)行監(jiān)測分析。

1111工作面安裝完畢開始回采前，于開切眼處布置爆破鉆孔對頂板提前劣化，圖2(a)為現(xiàn)場往鉆孔內(nèi)安裝炸藥。爆破結(jié)束后，爆破鉆孔內(nèi)裂縫發(fā)育明顯(如圖2(b)所示)，隨著采面推進(jìn)，石灰?guī)r頂板能夠在支架后方自然垮落(如圖2(c)所示)。

圖2 深孔爆破鉆孔布置

從圖3可以看出，1111工作面推采至第30刀(距切眼24 m)時(shí)，工作面初次來壓，來壓區(qū)域集中在工作面0～20號支架及50～80號支架，持續(xù)約10.4 m，來壓較為平緩，僅部分支架最大工作阻力達(dá)到450 bar以上，安全閥開啟，同未采取預(yù)裂爆破的1109工作面初次來壓步距52 m相比，降低了28 m。

圖3 初采期間頂板來壓曲面

通過液壓支架上安裝的工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測基本頂來壓期間支架工作狀態(tài)，如圖4顯示，同未采取預(yù)裂爆破的1109工作面相比(圖4(a))，1111工作面在初采期間支架工作阻力顯著降低。

圖4 初采期間支架工作阻力曲線

結(jié)合采場礦壓監(jiān)測結(jié)果，可得出深孔爆破頂板劣化卸壓技術(shù)的實(shí)踐效果較為理想，能有效控制石灰?guī)r頂板的垮落距離，降低了上覆巖層傳遞給煤壁和支架的載荷，避免煤壁片幫、壓架等現(xiàn)象的發(fā)生，保證了采面人員設(shè)備安全。

4 結(jié) 語

1) 針對1111工作面上覆厚硬石灰?guī)r頂板問題，為降低采面動(dòng)力沖擊風(fēng)險(xiǎn)，提出在回采前通過深孔爆破提前對堅(jiān)硬頂板進(jìn)行劣化處理。

2) 通過對厚硬頂板的提前劣化處理，巖體的結(jié)構(gòu)完整和力學(xué)性能被弱化，采場礦壓數(shù)據(jù)顯示卸壓效果明顯，基本頂來壓平穩(wěn)，支架承受載荷較小，保證了采面設(shè)備和人員安全。