堅硬頂板深孔爆破切頂卸壓技術(shù)的研究與應(yīng)用

楊東方

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司二礦，河南 平頂山 467000）

平煤股份二礦開采的庚20 煤層直接頂板為石灰?guī)r，巖石厚度4.2～6.6 m，較為堅硬。在回采期間上隅角頂板不易垮落，容易形成大面積懸頂區(qū)域，一旦大面積懸頂突然垮落，頂板折斷產(chǎn)生的強烈動荷載作用會在采空區(qū)瓦斯溢出、頂板管理方面造成極大威脅。因此，迫切需要對堅硬頂板切頂卸壓進行深入系統(tǒng)的研究。

目前國內(nèi)外煤礦主要采用頂板注水及爆破等方法弱化堅硬頂板[1-3]。爆破弱化堅硬頂板是以人為爆破的方法破壞煤層頂板的完整性，使堅硬難冒落的頂板變?yōu)榭勺孕忻奥漤敯澹瑫r控制冒落的巖石碎塊基本充滿采空區(qū)，形成矸石墊層，從而減弱頂板垮落時的沖擊強度，降低因頂板大面積垮落時形成的沖擊，達到隨采隨落的目的。

1 深孔爆破切頂卸壓機理

巖體的爆破預(yù)裂過程是涉及多學(xué)科的動力損傷演化過程。當炸藥的最小抵抗線超過其臨界抵抗線時，可近似認為爆破過程是在無限分布的煤巖體中進行的，因此難以觀察到煤巖體自由面上有爆破預(yù)裂的痕跡。爆破孔周圍會形成原爆破孔區(qū)、爆破孔擴大空腔、爆破粉碎區(qū)、爆破裂隙區(qū)及遠場震動區(qū)，如圖1。

炸藥在煤巖體中爆破后，在爆破作用下爆破孔周圍巖體會產(chǎn)生擴孔現(xiàn)象，爆破孔體積增大形成擴大空腔，如圖1 中的區(qū)域2。爆破產(chǎn)生的動載作用在傳遞過程中逐漸減弱，擴大空腔附近的巖體出現(xiàn)粉碎現(xiàn)象，形成爆破粉碎區(qū)，如圖1 中的區(qū)域3。爆破作用再向外擴展時，所產(chǎn)生的沖擊波不足以粉碎巖體，在粉碎區(qū)域外某范圍的巖體內(nèi)產(chǎn)生一定量的徑向裂隙及環(huán)向裂隙，如圖1 中的區(qū)域4。同時，爆生氣體在此范圍內(nèi)大量產(chǎn)生，并楔入煤巖體內(nèi)的原生裂隙或由沖擊波產(chǎn)生的裂隙中，進一步擴展裂隙。此裂隙以徑向裂隙為主，這也是圖1 中區(qū)域4徑向裂隙明顯多于環(huán)向裂隙的原因。爆破作用繼續(xù)向外擴展，所產(chǎn)生的動載作用不足以在煤巖體中產(chǎn)生裂隙，只以震動的形式向外繼續(xù)傳播[4-5]，即圖1中的區(qū)域5。

圖1 爆破作用示意

煤巖體介質(zhì)內(nèi)爆生裂隙發(fā)育力學(xué)模型如圖2。

圖2 裂隙區(qū)裂隙發(fā)育模型

如圖2 可知，爆破時主要產(chǎn)生兩種應(yīng)力，σθ為徑向應(yīng)力，σr為環(huán)向應(yīng)力，其大小為：

式中：pm為爆破孔壁上的最大動載壓強；rb為爆破孔半徑；r為質(zhì)點距爆破孔中心的距離。

從宏觀上來說，當爆破作用產(chǎn)生的徑向拉應(yīng)力大于煤巖體的動態(tài)抗拉強度時，煤巖體會產(chǎn)生徑向裂隙。同理，當爆破作用產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力大于煤巖體的動態(tài)抗拉強度時，煤巖體會產(chǎn)生環(huán)向裂隙。基于此原理，可利用定向爆破切頂使堅硬頂板垮落，減少工作面來壓的隱患。

2 工作面概況

2.1 工作面及巷道布置

平煤股份二礦主采煤層為己15、己16、己17 和庚20 煤層。二礦為煤與瓦斯突出礦井，礦井最大瓦斯壓力0.49 MPa，最大瓦斯含量5.48 m3/t。主采的庚20煤層厚度為1.8～2.4 m，平均2.1 m，中間有1～2 層夾矸。庚20 煤層偽頂不發(fā)育；煤層頂板為L6石灰?guī)r，堅固性系數(shù)f 為6～8，厚度為4.2～6.6 m，平均為5.4 m；底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖。庚20煤層采煤工作面回采后上隅角難以自然垮落，易造成懸頂面積大，瓦斯集聚，形成安全隱患，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)。

庚20 煤層工作面單翼布置，走向長度1900 m，工作面長度185 m，平均煤厚2.1 m，選用ZY6800-12/25D 型支架進行回采。庚20煤層工作面南部工作面已回采，北部工作面未開采，目前主采21120 工作面。工作面布置如圖3，地質(zhì)綜合柱狀圖如圖4。

圖3 工作面布置

圖4 地質(zhì)綜合柱狀圖

2.2 工作面巷道支護方式

庚20 煤層工作面風(fēng)巷寬×高為5 m×2.8 m，巷道沿煤層頂板掘進，采用“錨（網(wǎng)）梁+錨索”支護，錨索直徑21.6 mm，長度為4500 mm，間排距1100 mm×2000 mm，錨索間采用錨網(wǎng)梁連接，增強了錨索支護的穩(wěn)定性。工作面支護斷面圖如圖5。

圖5 工作面支護斷面圖

3 工作面切頂卸壓方案

3.1 卸壓鉆孔方案

使用型號CMM2-8 型切頂鉆機，距風(fēng)巷上幫1000 mm 處施工切頂鉆孔，孔深7000 mm（L6 灰?guī)r厚度小于6 m 的鉆孔深度施工為6 m，灰?guī)r厚度大于6 m 的按7 m 施工），垂直巷道頂板施工，鉆孔間距500 mm，要求施工成線。爆破前使用單體柱進行支護，距鉆孔水平距離200 mm，單體柱穿鞋帶帽，間距600 mm。切頂鉆孔布置如圖6。

圖6 切頂鉆孔布置示意圖

3.2 爆破裝藥方案

為便于裝藥的同時保證爆破效果，將4.5 m 長的PE 管分成兩個半管作為炸藥的載體。裝藥時將雷管插入炸藥中，使用膠帶或扎絲將炸藥綁在PE管上，然后送入鉆孔中（要求PE 管裝藥半管側(cè)朝向西側(cè)即巷道外段；敞開側(cè)朝向東側(cè)即采空區(qū)），PE 管末端50 mm 全管切割出倒刺并插入鐵絲捏鉤防止滑落。PE 管外徑為40 mm，內(nèi)徑為36 mm，管長4 m。

爆破裝藥采用2+2 模式，頂部2 卷下部2 卷（選用煤礦許用三級乳化炸藥，孔內(nèi)裝藥量1.4 kg），封孔長度不低于2 m（不低于孔深的1/3），每次爆破孔數(shù)量不超過10 個。

3.3 切頂卸壓結(jié)果

為了驗證爆破后炮孔附近巖體中裂隙發(fā)育程度及切頂效果，采用鉆孔窺視儀對爆破后的炮孔進行探測。爆破結(jié)果如圖7。

圖7 爆破切頂效果

由圖7（a）可知，爆破后炮孔周圍裂隙較為發(fā)育，炮孔淺處圍巖出現(xiàn)明顯縱向裂縫，淺部圍巖切頂卸壓效果顯著；裝藥處附近的圍巖縱向裂隙與環(huán)向裂隙交織，部分位置出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，圍巖呈破碎狀，整體性下降極大。從現(xiàn)場效果來看，頂板出現(xiàn)明顯裂隙，整體較為破碎。說明完善后的深孔爆破切頂卸壓技術(shù)在堅硬頂板中的應(yīng)用效果較好，起到了弱化堅硬頂板的作用[6-7]。

4 結(jié)論

（1）將爆破作用下巖體分為原爆破孔區(qū)、爆破孔擴大空腔、爆破粉碎區(qū)、爆破裂隙區(qū)及遠場震動區(qū)，建立裂隙發(fā)育力學(xué)模型，闡明了爆破產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于煤巖體動態(tài)抗拉強度時煤巖體產(chǎn)生裂隙的原理。

（2）結(jié)合平煤股份二礦庚20 煤層工作面的生產(chǎn)地質(zhì)條件，從打孔效率及爆破參數(shù)兩方面分析總結(jié)了原切頂卸壓方案效果較差的原因。

（3）提出了炮孔深7 m 的深孔爆破切頂卸壓方案，只采用了一排炮孔同時增大了炮孔間距，減小了工人勞動時間，提高了鉆孔效率；采用PE 管分段裝藥，改善裝藥結(jié)構(gòu)的同時提高了裝藥的便利性。

（4）在庚20 煤層21120 工作面進行了現(xiàn)場實踐，鉆孔窺視可看出炮孔淺部及深部圍巖均產(chǎn)生了明顯裂隙，工作面回采期間上隅角懸頂面積由5～6 m2減少至1～2 m2，頂板切頂后壓力有效釋放，巷道較為穩(wěn)定，風(fēng)巷超前支護段巷道位移量明顯減少，表明深孔爆破切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用效果較好，極大保障了工作面的安全生產(chǎn)。