淺談聚能切縫爆破工藝防治奧灰水技術研究

張 超

（棗莊礦業（集團）有限責任公司，山東 棗莊 277000）

濱湖煤礦21609 對拉上下面合茬時在F4 斷層附近，上面過F4 斷層，推采進度較慢，下面調采機尾，綜合礦壓、水壓、底板破壞等因素疊加耦合影響，易造成F4 斷層附近三角區裂隙活化，形成導水通道，發生水害。為此，本文以濱湖煤礦21609 對拉工作面為例進一步研究聚能切縫爆破技術，縮小頂板懸頂距離，降低礦壓對底板擾動影響，確保工作面回采安全。

1 工程概況

1.1 工作面概況

21609 對拉工作面為16 煤層工作面，分為21609（上）工作面和21609（下）工作面。上面為正在回采的21609-2 工作面，采空區頂板隨采隨冒，下面為原21601 工作面，尚未生產（如圖1）。21609（上）工作面走向長516～583 m，平均550 m，傾斜長195～97 m，面積95 304.2 m2；21609（下）工作面走向長583.6～554.2 m，平均568.9 m，傾斜長200～217 m，面積118 382.3 m2。21609 對拉工作面煤層厚度平均1.35 m，寬度308～402 m。

圖1 21609 對拉工作面平面示意圖

16 煤層頂板十下灰既是直接頂也是基本頂，具二重性，為穩定頂板。厚約4.5 m 的十下灰巖，硬度系數f=8～10，抗壓強度126.8 MPa，屬穩定頂板，硬度大不易冒落。煤層偽底為黏土巖，直接底為泥巖，基本底為細砂巖。根據16 煤以往開采經驗，采煤工作面初次來壓步距一般為45 m，周期來壓步距為11.5 m，16 煤底板距奧灰頂界面約55 m。

上下面合茬附近靠近F4 斷層，F4 斷層（H=0～4 m ∠60°）在面內影響長度約為241 m，由運輸巷向面內落差逐漸衰減，直至尖滅。根據斷層揭露、探查、分析、治理情況及以往回采工作面過斷層經驗，該斷層影響工作面開采期間的頂板、層位管理，對工作面影響較大。

1.2 聚能切縫爆破原理

充分利用巖體的抗拉強度遠小于抗壓強度的強度特征[1]，通過施工一定距離、深度的炮孔，進行聚能裝藥，使聚能管本身對爆轟力產生瞬時抑制和導向作用，并通過切縫提供瞬態卸壓空間，使爆轟力在切縫處形成高能流，集中在巷道輪廓線切線方向上傳導，使其沿輪廓線方向優先產生裂隙并定向擴展。爆破產生的聚能流沿聚能管凹槽方向釋放，使產生的集中張拉應力作用頂板巖層形成定向預裂縫，切斷頂板應力傳遞路徑。

結合濱湖煤礦相關數據，得出切縫高度選取5.6 m，切縫角度選取20°，炮孔孔徑選取447 mm，炮孔間距選取900 mm。

2 數值模擬分析

采用FLAC3D數值模擬軟件[2]，對切頂卸壓前后采場應力-變形-破壞演化規律進行模擬分析。

21609 對拉工作面開采過程中切頂卸壓前后的塑性破壞區分布對比如圖2，左圖均為切頂前、右圖均為切頂后。切頂卸壓前，工作面開采0～200 m時，頂底板塑性破壞區整體呈“平拱形”，頂底板破壞高度隨工作面推進逐漸增加；開采200 m 時頂板最大破壞高度達13 m，底板最大破壞深度約15 m；工作面開采300～400 m 過程中頂底板塑性破壞區范圍都在擴大，頂板增大較快，底板相對緩慢；工作面推進400 m 時，頂板塑性破壞區整體呈“馬鞍形”[3]，底板塑性破壞區繼續擴大，工作面兩幫最為明顯，最大破壞高度達23 m；工作面推進500 m 時，頂底板塑性破壞區均發育至最大，頂板“馬鞍形”更加明顯，最大破壞高度達50 m，工作面兩幫處最大破壞深度達25 m。說明切頂卸壓前，對拉工作面開采對底板25 m 范圍以內擾動明顯，25 m以下擾動不明顯。

圖2 16 煤開采塑性區切片

切頂卸壓后，塑性破壞區范圍整體上較卸壓前變小。頂板16 煤至十下灰之間的巖層全部垮落，充填至采空區。在工作面推進過程中，頂底板塑性破壞區范圍逐漸變大。工作面推進500 m 時，頂底板塑性破壞區均發育至最大，頂板呈“馬鞍形”，最大破壞高度達43 m，工作面底板破壞深度約為12 m，兩幫處破壞深度最大可達16 m。說明切頂卸壓后，21609 對拉工作面開采對底板16 m 范圍以內擾動明顯，對煤層底板16 m 以下范圍內巖層基本無影響。由25 m 降至16 m，距離十四灰巖層由原來7 m 變為16 m，距離奧灰巖層由原來的30 m 變為39 m。切頂后，礦壓集中效應減弱，底板巖層破壞深度明顯減小，增加了安全開采系數[4]。

3 現場實驗

21609 對拉工作面（上）材料巷、21609 對拉工作面運輸巷、21609 對拉工作面（下）切眼及21609 對拉工作面（下）材料聯絡巷、21609 對拉工作面（下）切眼與21609 對拉工作面運輸巷犄角分別布置切頂孔，具體參數如下：

3.1 21609 對拉工作面（上）材料巷

采用DCA-45 型切頂鉆機施工切頂眼，在（上）材料巷鄰近工作面側施工切頂眼，鉆孔深度為6000 mm，與鉛垂線夾角為20°，距肩窩100 mm（允許誤差±20 mm）；確保切頂眼直線性；鉆頭直徑為42 mm，鉆孔間距為900 mm，水平誤差不大于100 mm；采用聚能管反向裝藥預裂爆破切頂[5]，為防止炮轟沖擊波與超前支承壓力產生疊加影響，頂板預裂孔距離工作面不少于10 m。隨著工作面的每日推進幅度控制好預裂爆破進度，一次性裝藥一次性爆破，每次起爆5～20 個切頂眼。如圖3。

圖3 21609（上）材料巷切頂眼示意圖（m）

3.2 21609 對拉工作面運輸巷

采用風動錨桿鉆機施工切頂眼。運輸巷與（下）面切眼交叉點后7 m，切頂垂直于運輸巷走向方向布置切頂眼，鉆孔間距500 mm，兩端切頂眼距幫部側頂板肩窩不大于500 mm。切頂眼角度垂直于工作面頂板，與水平成90°夾角。切頂眼采用風動錨桿鉆機，切頂眼深度為6000 mm，鉆孔直徑42 mm。根據頂板垮落情況，待切頂眼與切頂排平齊后進行預裂爆破，再施工下一組切頂眼，每組切頂排間距4～8 m。如圖4。

3.3 21609 對拉工作面（下）切眼及21609 對拉工作面（下）材料聯絡巷

21609（下）工作面未回采前沿工作面傾向在煤壁側布置切頂眼，切頂眼深度為6000 mm，與回采側的煤壁鉛垂線夾角為70°，確保斷頂鉆孔直線性，眼距1.5 m；切頂眼確保鉆孔布置在一條直線上，形成一個切割平面，水平誤差不大于100 mm。斷頂鉆孔直徑42 mm；采用聚能管反向裝藥爆破斷頂，一次性裝藥一次性爆破。如圖5。

圖5 21609 運輸巷切頂眼示意圖（m）

3.4 21609 對拉工作面（下）切眼與21609 對拉工作面運輸巷犄角

采用風動錨桿鉆機施工切頂眼。為減少21609對拉工作面（下）切眼與運輸巷犄角壓力集中，采用多孔預裂爆破對該區域進行切頂。切頂范圍為21609 對拉工作面（下）切眼與運輸巷犄角向后10 m 范圍，頂板切頂眼間距1500 mm，切頂眼深度為6000 mm，與21609（下）工作面回采側的煤壁鉛垂線夾角為20°；切頂眼確保鉆孔布置在一條直線上，形成一個切割平面，水平誤差不大于100 mm。斷頂鉆孔直徑42 mm；采用聚能管反向裝藥爆破斷頂，一次性裝藥一次性爆破。

4 聚能切縫爆破效果分析

結合工作面2023 年1 月16 日底板微震與電法數據分析：1）共監測到底板微震事件13 次，其中底板事件發育深度：0～20 m 10 次事件，20～40 m 2次事件，40～60 m 1 次事件，關鍵層及以下0 次，最大深度43 m，未見明顯異常；2）自然電位變化幅值在2.2～126.4 mV，未超過預警值400 mV，未見異常滲流電場；3）煤層底板100 m 范圍內巖層視電阻率值整體較高，電阻率值均在20Ω·m 以上，減少了底板破壞深度，驗證了切縫爆破效果較好。工作面推采15 m 后，老塘頂板全部垮落，并壓實采空區，減少了超前壓力對底板影響，降低了底板奧灰突水風險，為工作面安全開采提供了技術依據。

5 結論

在16 煤綜采工作面中對堅硬頂板采用切頂預裂爆破工藝，加快工作面初采期間后部頂板冒落，降低礦壓對工作面破壞深度，加上考慮冒落頂板自身重力減少奧灰對底板的壓力[6]，從而降低奧灰出水的安全隱患，對堅硬頂板切頂預裂爆破工藝進行分析闡述，對下組煤帶壓開采的工作面有借鑒意義。