雁崖礦8305工作面切巷堅硬頂板密集鉆孔聯合深孔爆破預裂技術

朱曉慶

（晉能控股煤業集團雁崖煤業大同有限公司 山西大同037003）

堅硬頂板是指硬度高、厚度大、完整性好、裂隙不發育或發育程度較小的巖層[1]。煤礦開采中堅硬頂板滯后垮落，導致采空區懸板面積大，加劇了工作面煤體的承載強度，大面積懸板的突然斷裂對工作面裝備甚至人員生命安全存在更大威脅[2]。因此，堅硬頂板綜采面回采過程中十分重視頂板的治理工作。目前，常用的頂板預裂方法有水力壓裂、深孔爆破等[3-4]。水力壓裂借助靜態高壓水的壓裂和水楔劈裂作用，以及高壓動力水源的持續供給，可以取得較長的裂縫擴展效果；鉆眼爆破利用炸藥爆炸瞬間的沖擊強動載及后續的爆生氣體膨脹做功，實現孔壁圍巖的體積壓裂，空間造縫能力強，裂縫擴展不受地應力影響[5]。

雁崖煤礦8305工作面切巷內提前穩裝了液壓支架，支架后部致裂作業空間有限。采用水力壓裂方法，一則大型裝備深入不了支架尾部空間，長距離高壓管線沿程損耗大，且存在一定安全風險；二則切巷頂板致裂以取得平面裂縫效果最佳，單靠孔內的靜態高壓水壓裂難以取得定向切縫效果，配以相應的軸向切槽工藝，又增加了工序操作繁雜程度。為此，結合工作面煤層生產技術條件，充分發揮現有裝備優勢，設計了密集鉆孔聯合深孔爆破的切巷頂板預裂方案，實現了堅硬厚層頂板的平面定向預裂，取得了較好的技術經濟效益。

1 工程概況

大同煤礦集團有限責任公司雁崖煤礦8305工作面是2#煤層三盤區的首采面。東北鄰近盤區邊界，東南鄰近8306工作面，西南以三盤區大巷為界，西北至二盤區與四盤區共同盤區邊界。采用一次采全高綜合機械化采煤工藝，直接垮落法管理采空區頂板。蓋山厚度在462 m～518 m，平均490 m，煤層平均厚度3.3 m，平均傾角2°，結構簡單，可采走向長度1 400 m，工作面傾向長度300 m。煤層頂底板以砂質巖性賦存為主，巖性堅硬，結構相對完整。工作面頂底板柱狀圖，如圖1所示。

8305工作面基本頂平均厚度6.3 m，為防止工作面回采過程中厚硬頂板滯后斷裂對采場礦壓造成較大的影響，工作面初始采動前需要對切巷頂板進行預裂處理。

2 密集鉆孔聯合深孔爆破參數設計

2.1 密集鉆孔參數確定

（1）鉆孔直徑主要取決于當前的打鉆裝備。設計初衷是為了實現現有打鉆裝備的最大化利用，少增加頂板預裂成本。結合工作面架后作業空間有限條件，只能采取一般的錨桿鉆機進行密集鉆孔，鉆孔直徑為42 mm。

（2）鉆孔深度取決于頂板預裂高度。根據采空區冒落矸石充填采空區原理，確定工作面切頂高度為煤層采厚/巖石碎脹系數，采空區矸石碎脹系數取值0.3，據此得到鉆孔深度為11 m。

（3）孔間距需根據鉆孔周邊應力分布進行確定。由彈性理論可知，圓孔周邊3～5倍半徑范圍為應力強擾動區[6]?？讖?2 mm的鉆孔周邊應力擾動范圍在60 mm～100 mm，據此將相鄰密集鉆孔間距設置為200 mm。

（4）工作面切巷內架后作業空間有限，鉆機允許擺動角度小，實際作業過程中鉆機施工角度設置為90°，垂直頂板進行鉆孔。

2.2 深孔爆破參數確定

深孔爆破參數主要包括：炮孔直徑，炮孔深度，炮孔角度，炮孔間距，單孔裝藥量。

（1）炮孔直徑：三級煤礦許用水膠炸藥卷直徑為35 mm，配合直徑48 mm的安裝管輔助裝藥，加上管外定位塊的富余空間，設計炮孔直徑為65 mm，此時不耦合裝藥系數為1.3。

（2）炮孔深度、角度：與密集鉆孔深度、角度設計原理類似，主要取決于頂板預裂的高度和鉆孔現場施工條件，將炮孔深度設置為11 m，炮孔角度為90°，垂直頂板鉆設。

（3）炮孔間距：根據煤礦現場爆破經驗，炮孔間距一般為炮孔直徑的7～12倍。據此設計的炮孔間距不會超過1.0 m。但是，該結論是以相鄰炮孔裂縫貫穿為前提的。這里采取的深孔爆破是密集鉆孔的輔助工藝，以爆破震動弱化為主?？紤]密集鉆孔的導向作用，以及盡量減少大孔徑鉆孔打鉆工程量，參考應力波的擾動范圍，綜合確定實驗炮孔間距為6 m。

（4）單孔裝藥量：致裂目標層為工作面基本頂巖層，平均厚度6.3 m。深孔爆破條件下，裝藥深度越大，鉆孔夾持作用越強，致裂效果越不顯著。鑒于含礫砂巖頂板相對完整，基本頂厚度范圍內采用軸向耦合裝藥方式，裝藥長度設計為6 m。直徑35mm的三級煤礦許用水膠炸藥延米質量為1 kg。因此，單孔裝藥量確定為6 kg。爆破參數，見表1。

表1 切巷深孔爆破參數

3 切巷頂板致裂效果

3.1 孔內窺視觀察

采用鉆孔窺視儀對密集鉆孔的變形破壞及裂隙發育情況進行觀察。切巷炮孔爆破后，密集鉆孔窺視方案及窺視結果，如圖2所示。

圖2 密集鉆孔窺視方案及結果

根據窺視得到的密集鉆孔變形破壞情況，在密集鉆孔的導向作用下，單個爆破孔的強動載擾動范圍在1.6 m～2.2 m，相鄰炮孔的擾動范圍合計3.2 m～4.4 m，炮孔間距6 m。在后續頂板壓力作用下，受兩側炮孔的擾動及密集鉆孔間的導向影響，剩余1.6 m～2.8 m的頂板鉆孔連線區間容易平面貫穿。

3.2 切巷頂板垮落狀態

切巷頂板的垮落狀態是堅硬頂板預裂效果的最直觀反映。工作面自切巷位置推進8 m～10 m時，已見采空區中部位置煤層頂板的順利垮落；當工作面推進至40 m位置時，采空區頂板趨于完全垮落狀態，輔以相應的巷道頂板爆破切頂，工作面端頭頂板也順利垮落，消除了堅硬頂板工作面端頭懸板現象。采空區垮落矸石在架后充實采空區空間，解決了堅硬頂板采空區大面積懸板及其誘發的采場劇烈礦壓顯現難題。工程實踐中采集的工作面架后頂板垮落前后狀態，如圖3所示。

圖3 采空區頂板垮落前后情況

4 結論

（1）針對切眼內頂板架后控制及沿空留巷的不同切頂卸壓條件及需求，確定密集鉆孔聯合深孔爆破預裂分區治理方法，弱化了厚硬巖層的完整度，減小了頂板懸跨尺寸。

（2）切巷炮孔爆破致裂影響范圍在1.6 m～2.2 m，配合密集鉆孔間的導向作用，6 m炮孔間距可以取得較好的頂板平面切縫效果；工作面推采后的采空區頂板垮落狀態良好。