綜采工作面堅硬頂板深孔預裂爆破技術應用研究

孟令新

（錫林郭勒盟能源管理綜合行政執法支隊，內蒙古 錫林浩特）

引言

綜采工作面上覆頂板存在厚硬巖層容易使采空區造成大面積懸頂不落，懸頂大面積垮落造成劇烈的礦壓顯現可能造成設備損壞、人員傷亡等危險，為保證綜采工作面回采安全，通過理論分析及數值計算等方法研究表明，引起工作面和巷道內劇烈來壓的主要原因為工作面堅硬頂板，因此設計采用深孔爆破頂板預裂技術進行控制。

1 工作面概況

塬林煤礦W1-108 工作面北側以運順為界與107采空區相鄰，東側以設計采止線為界，接近ZK11-2 鉆孔。南側以回順為界與F10 號斷層相鄰。西側以切眼為界，接近煤層可采邊界及沖刷變薄帶。對應地表為牧民草場，高程+1 415～+1 421 m 之間，工作面煤層底板高程+1 194～+1 280 m 之間。工作面頂板與地表垂直距離137.2～225.1 m。工作面走向長819～826 m，傾斜長132～184 m，回采面積111 612 m2。

W1-108 工作面采用單一煤層一次采全高走向長壁后退式全部垮落法控制頂板的綜合機械化采煤方法。W1-108 運順、前三角點和W1-108 綜采工作面切眼、回順局部頂板為厚度在8～10 m 以上的砂礫巖堅硬頂板，依據W1-108 工作面具體的地質和開采技術條件設計預裂鉆孔的參數，現場應用期間對頂板進行鉆孔窺視。

2 上覆巖層特征分析

2.1 實見煤層頂板巖性、厚度，裂隙發育情況分析

煤層頂板為古河流沖刷后沉積形成，凹凸不平的小型溝壑較發育，局部頂板起伏較大，且斷層附近裂隙發育，較破碎，局部有片幫現象。運、回順沿1#煤層頂板施工，從W1-107 工作面回采期間的實見及周邊鉆孔資料分析，工作面頂板偶有一層0.05～0.4 m 的泥巖偽頂，發育范圍不穩定。ZK11-2 鉆孔直接頂為中礫巖及泥質粉砂巖，實見厚度1.99 m，基本頂砂礫巖厚度19.1 m；ZK136 鉆孔直接頂為含砂礫巖，實見厚度5.1 m，基本頂砂礫巖厚度47.4 m;ZK137 直接頂為中砂巖，實見厚度13.6 m，基本頂為細砂巖、粉砂巖及中砂巖互層，厚度為16.85 m;ZK146 鉆孔直接頂為泥巖，實見厚度19.10 m，基本頂為粘土質礫巖，厚度6.55 m；ZK155 鉆孔無直接頂，基本頂為砂礫巖，厚度14.95 m。直接頂為砂礫巖及中砂巖時，一般較硬，回順的附近直接頂為砂礫巖，呈黃色、泥質膠結，較松散易冒落。如無斷層、裂隙、滑面等構造不易垮落，偶含少量水；為泥巖時，灰黑色，泥質膠結，一般較軟，較易垮落。基本頂灰色或土黃色，砂礫狀結構，塊狀構造，礫石成分以火山巖、變質巖成分為主。

W1-108 綜采工作面從附近的ZK136、ZK137、ZK11-2 鉆孔分析直接頂為中礫巖及泥質粉砂巖、含砂礫巖厚度在1.99～13.6 m；基本頂為砂礫巖、細砂巖、粉砂巖及中礫在1.685～47.4 m，大部頂板為復合層，有1-2 層頂煤，厚度0.3～0.8 m，由于運順與W1-107 采空區留設5～6 m 煤柱，受W1-107 采空區采動影響，頂板較破碎，不需預裂；切眼及回順頂板砂礫巖相對較厚，回采期間頂板不易冒落，易造成大面積空頂，引發生冒頂事故，該區間段需加密預裂鉆孔，必要時采取強制放頂措施。

結論：回順局部頂板為砂礫巖，需進行預裂，回采期間可根據頂板冒落情況及時增減預裂鉆場預裂鉆孔數量。

2.2 工作面頂板分析

為了加強工作面頂板管理，避免發生頂板事故，需要研究分析并最終了解掌握工作面頂板斷裂破壞失穩的特征及規律。將已經測定的上覆各巖層的密度、厚度、彈性模量等物理及力學參數帶入覆巖組合巖梁理論公式（公式（1））可以計算得到覆巖關鍵層（圖1）。

圖1 W1-108 工作面關鍵層示意

式中:q1（x）m——工作面項板第一層巖層承受的載荷；ri——頂板第i 層巖層的密度；Hi——頂板第i 層巖層的層厚；Ei——頂板第i 層巖層的彈性模量。

由計算結果我們可以知道，W1-108 綜采工作面上覆巖層包含2 層堅硬巖層，分別是基本頂（亞關鍵層）和主關鍵層。

根據懸臂梁力學模型公式（公式（2））進行計算

式中：Lk——第k 層巖層的破斷距離，（k=1，2，3，…，n）；Hk——巖層厚度；Tk——巖層的抗拉強度；q——上覆巖層對巖層的載荷。

可以得到W1-108 綜采工作面上覆堅硬巖層的第一次破斷距離和周期性破斷距離（表1）。關鍵層的第一次破斷距離大約為32.36～50.15 m，周期性破斷距離大約為22.32～36.5 m。在W1-108 綜采工作面開采期間，關鍵層破斷距離較大，頂板懸頂面積超過正常可控范圍，關鍵層第一次破斷和周期性破斷導致工作面第一次來壓和周期性來壓十分劇烈，這種情況是引發采煤工作面和上下端頭礦壓顯現劇烈的主要原因，為了避免因此形成安全隱患，實現安全開采，需采取相應的措施措施來改善頂板的破裂、斷落狀態。

表1 W1-108 綜采工作面上覆堅硬巖層破斷距離

3 堅硬頂板超前深孔爆破弱化技術

3.1 理論分析

根據上文的計算分析結果可以確定，W1-108 綜采工作面頂板屬于難以正常隨工作面推進及時垮落的堅硬巖層，頂板破斷垮落時會顯現出強烈的礦井壓力和震動沖擊，為了降低工作面礦壓顯現和震動沖擊的強度，消除礦井安全隱患，塬林煤礦決定采用預裂頂板的方式在可控范圍內提前破壞頂板，實現強制放頂。根據有關資料顯示和專家意見，目前世界范圍內井工開采煤炭行業井下工作面強制放頂技術主要有2種：一是注水預裂法，二是爆破預裂法。

第一種注水預裂法，實際就是向巖層中注入高壓水，一方面巖層在水的侵泡下會變軟，強度降低；另一方面高壓水形成的壓力會使變軟的巖層漲裂，從而達到提前預裂頂板，進而將難以斷裂、垮落的堅硬頂板弱化變得不在堅硬。但這種方法施工周期長，且對巖層有要求，不具有普適性。

第二種爆破預裂法，顧名思義，就是使用炸藥等爆炸物對頂板進行爆破。通過控制爆破裝藥量和爆破深度、調整爆破孔距等手段將堅硬的頂板炸裂形成符合要求裂隙，破壞巖層的完整性，實現頂板預裂，達到頂板能隨著工作面的不斷推進及時斷裂垮落的目的。目前，爆破使用的爆炸物不僅有炸藥，還有液態二氧化碳。使用液態二氧化碳進行爆破爆成本太高，不具有普遍意義，且塬林煤礦是低瓦斯礦井，使用炸藥爆破既經濟又能滿足需求。從工藝上進行區分，使用炸藥爆破進行預裂有2 種工藝：一種是淺孔循環式爆破，另一種是深孔（炮孔深15 m 以上）預裂式爆破。從前文可知，W1-108 綜采工作面頂板厚度大于15 m，應采用深孔預裂爆破，其優點是不影響工作面的正常生產，且較安全，效果也是最直接、明顯，是國內目前常采用的強制放頂的方法。

因此，設計在W1-108 綜采工作面超前回順及三角點進行深孔預裂爆破，縮短頂板的破斷距離，使頂板巖層在破斷垮落時引發的周期性來壓和震動震動沖擊在可控范圍內。頂板深孔預裂爆破鉆孔直徑不宜過大，既要考慮巖性，又要考慮爆破效果，還要安全可控。在達到預裂效果的同時，爆破不能損毀巷道，經過多次試驗調整，最后結合W1-108 工作面現場爆破作業條件，設計預裂爆破孔的直徑為7.5 cm。炸藥在炮孔內引爆后，炮孔周圍巖層由內向外形成3 個區域：破碎區、裂隙區和震動區。當炮孔間距合理時，相鄰炮孔之間的裂隙區會相互聯通，從而使預裂爆破區內的頂板出現規則的貫通裂隙，達到降低頂板強度的目的。實踐證明，采用耦合裝藥方式進行預裂爆破效果要比不耦合裝藥方式好，其爆破產生的初始沖擊力Pr根據爆破初始沖擊力計算公式（3）進行計算為：30 209 MPa。

式中：ρ0——炸藥的密度，為1.23×10 kg/m3；D——炸藥的爆速，為4 350 m/s；db——炮孔直徑，為7.5 cm；dc——炸藥藥卷直徑，為7.5 cm；n——爆炸時爆生氣體的應力增大倍數，取10。

當預裂爆破炮孔直徑為7.5 cm 時，爆破后以炮孔為中心形成的圓形裂隙區半徑R 根據爆破裂隙區半徑計算公式（4）進行計算為：3.132 m。

式中：V——巖石泊松比，取0.2；σt——抗 拉 強 度 6.35 MPa；a——衰減指數1.5。

為了達到大面積破壞頂板完整性降低頂板強度，采用深孔爆破對堅硬頂板進行預裂，需要同時布置多個鉆場同時起爆。W1-108 綜采工作面超前地應力集中范圍為30～50 m， 為避免工作面前方形成多度的應力集中和能量積聚，設計超前工作面15 m， 一次性對15～60 m 范圍頂板進行預裂爆破。

3.2 深孔預裂爆破炮眼布置

（1） W1-108 綜采工作面預裂鉆場間距30 m布置，鄰近切眼1、2#鉆場間距15 m 布置；每個鉆場布置5 個預裂鉆孔，終孔位置均位于煤層頂板往上8 m，預裂后實際生產過程中根據頂板垮落情況，可適當減少或加密鉆孔，當頂板加密預裂后，前三角點仍存在有冒落不充分、懸頂面積大的現象時，需采取強制放頂措施，確?；夭珊蟮牟煽諈^頂板及時冒落，安全回采。

（2） 回順設計預裂鉆場15 個，預裂孔73 個。鉆孔總工程量1 393 m，總裝藥長度925 m，總裝藥量2 775 kg，封泥總長度468 m，導爆索總長度2 153 m，雷管146 枚。詳見表2 回順頂板預裂鉆孔爆破參數。切眼設計預裂鉆場2 個，預裂孔6 個。鉆孔總工程量157 m，總裝藥長度104 m，總裝藥量312 kg，封泥總長度53 m，導爆索總長度234 m，雷管12 枚。詳見表3 切眼預裂鉆孔爆破參數。切眼補充鉆孔6 個，工程量95 m，總裝藥長度68 m，總裝藥量204 kg，封泥總長度27 m，導爆索總長度146 m，雷管12 枚。

表2 回順頂板預裂鉆孔爆破參數

表3 切眼預裂鉆孔爆破參數

4 深孔預裂爆破效果

為驗證W1-108 工作面采用深孔爆破對頂板的預裂效果，對工作面頂板進行預裂爆破后，在回風順槽的頂板中部布置窺視鉆孔，鉆孔直徑為7.5 cm，長度為30 m， 統計鉆孔不同深度條件下裂隙的數量，整理得到圖2 所示的結果。

圖2 超前工作面頂板裂隙數量統計結果

可以看出，頂板巖層內隨著窺視深度的增大，裂隙數量逐漸減小，但20 m 范圍內頂板裂隙發育較完全，超前工作面預裂鉆孔爆破范圍內裂隙發育較穩定并且堅硬頂板存在破碎與裂隙并存狀態，由此可知頂板預裂爆破取得了較理想的效果。

結束語

據塬林煤礦煤層地質條件，理論分析及頂板窺視實見，并且根據W1-108 綜采工作面回采情況，實際證明堅硬頂板深孔預裂爆破技術符合現場實際，對實際生產具有重要意義。深孔爆破后工作面第一次來壓和周期性來壓距離明顯減小，能夠減小采空區懸頂面積，能夠避免采空區大面積垮落對生產活動造成的威脅，確保了工作面安全生產，對工作面及兩順礦壓控制具有積極意義。