3119 綜放工作面堅硬頂板深孔爆破技術研究

張俊義

（潞安化工集團慈林山煤業公司夏店煤礦，山西 長治 046299）

1 工程概況

慈林山煤業有限公司夏店煤礦主采的3#煤層埋深354.1～539.4 m，煤層傾角2°～9°，平均傾角為4°，煤層厚度6.8～7.6 m，平均厚度7.24 m，煤層賦存穩定，可采指數為1。如表1 所示，3#煤層上方覆巖依次為均厚1.07 m 的泥巖及均厚14.41 m 的石灰巖，下方巖層依次為均厚0.27 m 的泥巖及均厚5.27 m 的砂質泥巖。

3#煤層采用放頂煤進行回采，而3#煤層上方有一層均厚14.41 m 的石灰巖，不僅厚度大，且較為堅硬，完整性較好，在工作面回采后不易垮落，易形成大面積懸頂從而引發強礦壓事故，嚴重威脅了礦方的安全生產[1-4]。因此，提出采用深孔爆破的方法對工作面厚硬頂板巖層進行預裂爆破，迫使石灰巖層在工作面回采后及時垮落。

2 爆破方案設計

2.1 堅硬頂板應力分布特征

為制定合理的爆破方案，需了解工作面回采過程中頂板巖層的應力分布情況。借助3DEC 數值模擬軟件對頂板巖層應力分布特征進行分析研究。以3119 工作面為工程背景建立數值模型，模型尺寸為長×寬×高=1000 m×10 m×378 m，巖層力學參數見表1，采用摩爾-庫倫力學模型模擬工作面回采過程中裂隙發育及頂板巖層破壞情況。工作面回采過程中，頂板上覆巖層垂直位移、應力及能量特征如圖1。

表1 3#煤層頂底板巖性及力學參數

圖1 工作面回采過程中頂板巖層變形特征

如圖1（a）所示，當3119 工作面回采100 m時，采場上覆堅硬石灰巖初次垮落，此時頂板巖層垂直應力和能量密度如圖1（b）。當頂板石灰巖垮落時，采空區垮落頂板巖層垂直應力及能量密度減小而兩側巷幫煤體上覆頂板巖層垂直應力和能量密度增大，在超前工作面21 m 位置時采場頂板巖層垂直應力和能量密度達到最大值，最大值分別為17.7 MPa 和56.6 kJ/m3，垂直應力和能量密度集中系數分別為1.5 和13.8，垂直應力和能量影響區間為超前工作面46～55 m。如圖1（c）、（d），工作面回采過程中，超前工作面頂板巖層垂直應力范圍為15.8～24.1 MPa，能量密度范圍為46.8～75.2 kJ/m3，當堅硬石灰巖層未垮落時，超前工作面頂板垂直應力和能量密度數值較大，集中系數分別在1.5～2.0 和13.4～18.3 范圍內，超前工作面影響區域為34～69 m。

2.2 深孔爆破方案

通過分析可知，頂板巖層應力和能量積聚區域在超前工作面34～69 m 范圍內。綜合考慮3119 工作面地質條件及施工設備情況，對工作面前方50 m區域內的堅硬石灰巖頂板進行深孔預裂爆破，爆破高度以切斷采場上方石灰巖為準。深孔爆破布置如圖2，在回采巷道及工藝巷沿工作面走向方向每隔10 m 布置一組爆破孔。爆破孔參數見表2。

表2 爆破孔參數

圖2 爆破孔布置圖（m）

3 現場試驗

按照前述設計方案，在3119 工作面進行現場試驗。為驗證深孔爆破效果，對頂板巖層垮落情況進行定期觀測，對工作面回采過程中液壓支架工作阻力變化情況進行現場監測，如圖3。

如圖3 所示，不同位置的液壓支架工作阻力變化曲線走向相似，20#、50#、60#、90#液壓支架平均工作阻力在26.5 MPa 左右。監測數據顯示，在2 月12 日—2 月14 日期間，液壓支架工作阻力明顯增大，此時采場上覆堅硬石灰巖層大面積垮落，導致工作面液壓支架工作阻力在這期間明顯增大。通過現場觀測，在2 月12 日—2 月14 日期間，當工作面推進46 m 左右時，工作面上方頂板石灰巖巖層即開始初次垮落，后期隨著工作面推進，上覆頂板巖層周期性垮落引起工作面周期來壓。現場監測結果表明周期來壓步距約為20 m，與鄰近工作面未進行深部爆破相比，懸頂面積明顯減小，深孔爆破對于迫使工作面頂板堅硬巖層及時垮落，減小頂板巖層懸頂面積效果良好，有利于巷道圍巖穩定，對于工作面安全開采起到積極的影響作用。

圖3 工作面液壓支架工作阻力變化曲線

4 結論

針對夏店煤礦3#煤層厚度大，上方堅硬頂板巖層厚度大不易垮落的問題，通過理論分析及數值模擬的方法，確定了工作面前方34～69 m 范圍內是垂直應力及能量集中區域，提出了在工作面前方50 m采用深孔爆破處理頂板巖層，在上順槽、下順槽及工藝巷分別布置爆破孔，共布置1#～8#爆破孔，其中1#、4#、5#、8#爆破孔深度為16 m，與豎直方向夾角為15°，2#、3#、6#、7#爆破孔深度為21 m，與豎直方向夾角為45°。通過在3119 工作面進行現場試驗，深孔爆破后，工作面推進46 m 左右時，工作面上方石灰巖初次垮落，頂板巖層懸頂面積明顯減小，有利于回采過程中巷道圍巖穩定。