15101 工作面堅硬頂板預裂弱化技術研究

郭建明

（山西潞安化工集團左權佳瑞煤業有限公司，山西 左權 032600）

1 工程概況

山西潞安集團左權佳瑞煤業有限公司15101 工作面井下位于一采區，工作面傾斜長452～464 m，走向長度為150 m。工作面開采15#煤層，煤層平均6.62 m。工作面頂底板巖層特征如圖1。15101工作面采用綜合機械化放頂煤采煤方法，采高3.0±0.1 m，放煤高度3.33 m，循環進度0.8 m，一采一放。根據工作面頂底板巖層特征可知，煤層較為致密，節理裂隙不發育，工作面基本頂屬于堅硬頂板，為防止堅硬頂板回采期間懸頂面積過大，提升頂煤回收率，進行工作面堅硬頂板預裂弱化技術研究。

圖1 煤層頂底板巖層特征圖

2 頂板深孔預裂技術

堅硬頂板巖層在工作面回采后，由于其自身承載能力較強，難以垮落，工作面開采過程中存在著頂板懸頂過長的特征，必須改變影響堅硬頂板難垮落的因素。目前針對堅硬頂板最常用的處理措施為采用深孔預裂爆破技術，通過爆破的方式提升頂板巖層中裂隙的發育程度，進而使得頂板巖層在礦壓作用下更易于垮落。深孔預裂爆破方案中設計的主要參數包括炮孔直徑、深度、間距及封孔長度、方式等[1-3]。本文主要對炮孔間距、炮孔直徑、頂板處理高度、裝藥結構進行詳細設計與分析。

（1）炮孔間距。根據爆破相關的理論研究可知，當炸藥采用不耦合裝藥時，壓碎圈半徑Rc和裂隙區半徑Rp的表達式分別為[4]：

式中：σcd、σtd分別為巖體的單軸動態抗壓強度和單軸動態抗拉強度；ρ0為炸藥的密度；Dv為炸藥爆速；lc為裝藥軸向系數，取lc=1；η為爆轟產物的膨脹絕熱指數，取3；le為裝藥水平系數；μd為煤巖體動態泊松比；n為炸藥爆炸產物膨脹碰撞炮孔壁時的壓力增大系數，取10；a為載荷傳播衰減指數；K為裝藥徑向不耦合系數，K=db/dc，db、dc分別為炮孔半徑和藥包半徑，mm；rb為炮孔半徑m。

根據工作面地質條件，代入式（1），計算得出15101 工作面破碎區半徑為485.6～497.5 mm，裂隙區半徑為3 762.5～4 903.4 mm。綜合上述分析確定炮孔間距應小于裂隙區直徑（即2倍裂隙區半徑）。

（2）炮孔直徑。預裂爆破鉆孔直徑主要由鉆孔周圍煤巖體力學參數、鉆機能力、炸藥的性能、封孔材料及長度等因素決定[5]。結合現場經驗，確定深孔預裂爆破炮孔直徑一般為65～90 mm。

（3）頂板處理高度?；诠ぷ髅骓敯鍘r層特征，綜合考慮頂煤、砂質泥巖、泥巖和石灰巖層的厚度，同時考慮到裂隙區域影響，初步確定開切眼頂板處理高度13.5 m，端頭最大垂直高度15.5 m。

（4）裝藥結構。目前在現有深孔預裂爆破方案的裝藥結構中，常用的裝藥結構有連續裝藥、不耦合裝藥和連續耦合裝藥等。根據15101 工作面的地質條件，為充分保障深孔預裂方案的安全實施，防止出現拒爆現象，在每個爆破鉆孔內采用兩根安全導爆索，同時配備兩個煤礦許用毫秒延期電雷管，以安全實現炸藥的引爆[6]。雷管間的連線方式采用“局部并聯，總體串聯”，具體如圖2。

圖2 雷管連線示意圖

3 堅硬頂板預裂方案及效果

3.1 頂板預裂方案

根據15101 工作面具體的地質條件，結合頂板深孔預裂技術，確定深孔爆破孔徑定為75 mm，封泥長度為炮孔長度的20%～30%，徑向裝藥不耦合系數為1.25。工作面共施工炮孔27 個，施工炮眼總長591.1 m。具體深孔爆破孔的布置形式如下：

（1）開切眼爆破炮孔布置。開切眼共布置21個炮孔，炮孔均距開切眼外幫0.5～1.2 m 開孔。炮孔布置參數見表1。

表1 工作面開切眼炮孔布置參數表

炮孔編號炮孔長度/m仰角/（°）孔徑/mm計算裝藥長度/m計算裝藥量/kg計算封泥長度/m裝藥卷數/個4 20.12 35 75 13.50 40.50 6.62 27 5 22.72 36 75 14.50 43.50 8.22 29 6 23.43 35 75 15.00 45.00 8.43 30 7 22.79 36 75 14.50 43.50 8.29 29 8 27.81 29 75 18.00 54.00 9.81 36 9 25.07 33 75 16.00 48.00 9.07 32 10 24.61 33 75 16.00 48.00 8.61 32 11 27.55 29 75 18.00 54.00 9.55 36 12 23.31 35 75 15.00 45.00 8.31 30 13 21.31 39 75 14.00 42.00 7.31 28 14 23.81 35 75 15.50 46.50 8.31 31 15 22.57 37 75 14.50 43.50 8.07 29 16 21.49 39 75 14.00 42.00 7.49 28 17 23.35 35 75 15.00 45.00 8.36 30 18 19.41 44 75 12.50 37.50 6.91 25 19 16.99 53 75 11.00 33.00 5.99 22 20 17.13 61 75 11.50 34.50 5.63 23 21 16.37 66 75 11.00 33.00 5.37 22

具體15101 工作面開切眼布置形式如圖3。

圖3 15101 工作面開切眼炮孔布置示意圖

（2）順槽炮破孔布置

軌道順槽炮孔2 個（用軌A、軌B 表示）。其中：軌A、軌B 炮孔在軌順內幫布置，孔口均距切眼內幫7 m；軌A 孔口距順槽頂板0 m，軌B 孔口距順槽頂板1 m。膠帶順槽炮孔4 個，分別用1～2和A～B 進行編號。其中：膠1、膠2 孔口距切眼內幫的距離分別為7.5 m、10.5 m；膠A、膠B 鉆孔距切眼內幫7 m；膠A 和膠B 鉆孔距巷道頂板的距離分別為0 m 和1 m。具體工作面順槽炮孔參數與裝藥量見表2。

表2 工作面回采順槽炮孔參數及裝藥量參數表

根據炮孔設計進行打孔，起爆藥卷、炮棍、裝藥結構如圖4。工作面割煤1～2 刀后進行炮孔裝藥、聯線和爆破，采用分組裝藥、分次爆破。

圖4 裝藥設計圖

3.2 效果分析

15101 工作面頂板深孔炮孔爆破后，43#～46#支架上方的頂煤崩裂，50#支架上方局部頂煤垮落，可見到矸石，其余部分未見頂煤垮落。隨著工作面推進，當工作面推進到21 m 時，直接頂垮落；當工作面平均推進到37 m 時，支架工作阻力增大，煤壁開始出現局部片幫，即表明此時為基本頂的初次垮落，垮落步距為37 m；當工作面推進39 m，通過分析液壓支架工作阻力可知，基本頂垮落基本完成。具體來壓時間及現象見表3。

表3 15101 工作面爆破后頂板來壓情況

15101 工作面深孔預裂爆破方案實施后，通過現場監測頂板垮落數據，將其與鄰近工作面進行對比分析，得出工作面預裂后基本頂平均垮落步距縮小了近10 m 左右，且工作面初采期間懸頂面積明顯減小，工作面回采期間未出現大面積頂板垮落帶來的安全隱患。

4 結論

根據15101 工作面頂板巖層的特征，通過分析頂板深孔預裂技術，分別進行炮孔間距、炮孔直徑、頂板處理高度、裝藥結構的設計，基于工作面的各項參數對堅硬頂板的預裂方案中的各項參數進行具體設計。根據工作面頂板深孔預裂爆破后的數據分析可知，頂板平均垮落步距縮小了10 m 左右，懸頂面積明顯減小，為工作面的安全回采提供了保障。