綜采面深孔預裂爆破強制放頂技術研究

摘 要：本文提出了一種深孔欲裂爆破強制放頂方法，以提升東龐礦工作面初采期間的作業安全性和工作效率。這種爆破強制放頂方法以爆破弱化堅硬頂板為基礎，從切眼及兩順槽的頂板深孔方向進行爆破，并配置合理的爆破強度。試驗過程中，對爆破實施前后鉆孔內裂隙情況進行比對，鉆孔窺視結果顯示，本文提出的強制放頂方法施工速度快、安全程度高。這種新的強制放頂方法進一步拓寬了采煤工作面強制放頂技術的實現途徑。

關鍵詞：大面積懸頂；強制放頂；深孔預裂爆破；鉆孔窺視

中圖分類號：TD 235 文獻標志碼：A

我國國民經濟的快速發展離不開煤炭行業充足的煤炭供應，對煤炭產量的高額需求也意味高強度開采的長期存在[1]。而頂板事故又在礦井事故中占據很大的比例，尤其是遇到堅硬、厚層頂板時，頂板一般不會直接破斷、垮落，從而形成大面積的懸頂。根據以往的工程經驗，頂板大面積突然垮落易造成氣體濃度異常和颶風傷人等事故，對安全生產造成影響[2]。強制放頂技術作為一種能夠使基本頂及時發生垮落的有效方法，可以降低工作面的初次來壓步距，有效降低頂板大面積來壓可能產生的影響[3]。在采空區內的頂板預裂卸壓，從而在采空區中有效形成了切頂短臂結構，可以有效降低巷旁支護的承載強度。確定合適的放頂距離，可以有效地控制大面積來壓。東龐礦某綜采工作面上部頂板自身堅硬不易垮落，工作面初采期間存在區域懸頂面積過大、初次來壓帶來巨大沖擊力等問題，如果不進行人為干預，大面積頂板突然垮落將會直接導致人員傷亡和財產損失，影響工作面安全、高效回采，因此開展工作面初采階段強制放頂技術研究具有重要意義。

1 東龐礦工作面開采技術條件分析

東龐礦某綜采工作面位的傾向長度為216m。工作面與西側東側均為采空區，南側為待采工作面（設計），北側為井田邊界，該工作面主采煤層結構簡單，含夾矸2層，煤厚平均為3.3m，煤層平均傾角2°。工作面上方為平均厚度約24.3m的巖層，主要為中粒砂巖，工作面煤層頂底板情況見表1。

由于該工作面上方為平均厚度約24.3m的中粒砂巖，巖層厚度較大且較堅硬，在工作面初采期間容易形成大面積懸頂，頂板初次來壓步距大，進而對工作面內的機械設備和人員的生命安全造成嚴重威脅。

傳統情況下，可以采用注水弱化放頂技術。注水弱化是從巷道內向頂板打深孔，并向孔內進行高壓注水，從而弱化巷道頂板的技術，通過向深孔內注入高壓水，達到對頂板中出現的最初的裂痕和縫隙進一步強化的作用。除了這種直接作用以外，也可以利用自然環境條件的間接作用達到預裂的效果。例如，巖體中存在的水體因存在高度勢能，可以形成較大的壓力。而巖體中的水流會在壓力的作用下不斷發生滲漏，從而在已經出現的裂隙網絡中形成流動通道，逐步形成滲流作用。滲流作用的持續，除了腐蝕作用以外，還會伴隨發生物理反應和化學發應，這就可以進一步增大欲裂的效果。

在實際實施的過程中，注水欲裂一般可以采取2種不同的方法：第一種方法是利用高壓注水的方法強制向頂板內注水，這是一種主動性更強的方法；第二種方法是在水勢能的自然作用下，讓水以靜壓的方式完成頂板內的注水。但無論哪種注水方法，都需要依賴一定的自然條件，實施上受到一定程度的制約。考慮東龐礦的實際情況，需要設計更合理的預裂爆破方案進行強制放頂。

2 深孔預裂爆破方案設計及理論分析

2.1 深孔爆破頂板弱化機理

爆破預裂不需要依賴自然條件，可以做到人工完全可控。爆破預裂中的爆炸物一般要在深孔中埋藏，才能實現更大的爆炸效果。一般來講，爆炸物在深孔中埋藏的深度越深，爆炸的效果越明顯，爆炸所釋放的能量越大。隨著爆炸的發生和爆炸作用的持續，巖體會產生裂縫并且裂縫不斷擴大。在這一過程中，爆炸對巖體形成了第一級破壞作用。而隨著破壞作用的持續，裂隙進一步擴大并在其他巖體延伸，就形成了第二級破壞作用。

如圖1所示，如果沿垂直炮孔軸線將爆破后的巖體剖開，根據巖體的破壞特征，單位長度藥包的內部作用大致可分為擴腔區、壓碎區、裂隙區和震動區4個區域。

頂板注水弱化技術具有很高的適用要求，對高壓注水來說，其對孔壁的完整性要求很高，孔壁存在裂隙將很大程度地影響預裂效果，且需要購置成套專用設備，經濟性較差；同時對設備性能及工人施工水平具有較高要求，不利于現場快速施工；而靜壓注水則比較適用于頂板巖石吸水性較強的工作面。

利用液態CO2氣體爆破技術爆破1個孔的費用就高達1.5萬元左右，預裂效果與投入成本不成正比；工作面上覆巖層厚度約24.3m，淺孔循環式爆破技術能夠作用的巖層厚度較小，預計達不到較好的預裂效果。

相較之下，深孔預裂爆破技術已趨于成熟，可確保頂板“切得開”且不影響回采巷道的穩定性，技術上具有優越性，而且裝藥爆破的方式操作簡便，便于井下快速施工，不影響工作面正常生產；從經濟方面考慮，僅需要采導爆索等爆破輔材，可利用礦方現有爆破器材進行施工，大幅降低了施工成本。因此，考慮各方面因素，對東龐礦該工作面初采階段強制放頂采取深孔預裂爆破技術。

2.2 深孔預裂爆破方案及理論分析

根據臨近工作面的開采經驗，設計深孔預裂爆破強制放頂的爆破方案如下。

2.2.1 切眼內爆破參數設計

根據工作面地質資料及上覆巖層厚度，其采空區冒落帶高度按采高的4倍計算。從兩順槽往切眼方向相向進行深淺孔交錯布控，布置爆破放頂鉆孔30個孔，孔與孔間距6.5m，仰角均為50°（其中深孔10個，孔深31.7m，垂高24.3m；淺孔20個，孔深21m，垂高16m），孔徑均為75mm，距回采煤壁1.0m處呈一型施工。

2.2.2 兩順槽內爆破參數設計

為回采過程中更好地保證兩端頭處頂板完全垮落，從兩順槽往切眼方向相向進行深孔交錯布控，在兩順槽端頭30m范圍內各布置12個孔，仰角均為50°，孔深21m，孔與孔間距6.5m，孔徑均為75mm。

爆破預期與爆破切口有關，進而可以分析爆破過程的拉力和壓力效果。

3 強制放頂爆破效果性能測試

為了驗證強制放頂爆破技術的有效性，接下來進行試驗研究。試驗測試過程中，首先，需要對填放炸藥的爆破孔洞進行認真檢查，以確保其滿足爆破需要。這些檢查包括爆破孔洞的深度、所在的位置、與垂直方向形成的角度等。確認爆破孔洞不存在質量問題后，還需要對孔洞內進行清理。其次，按照選眼→裝藥、聯線→停止作業撤出人員進行爆破。

爆破弱化過程中，采用人工爆破的方法將頂板切斷，阻斷應力的傳遞。炸藥爆炸后所產生的巨大壓力將轉化成對圍巖的張拉作用，從而在巖體內形成有效的切縫面，最終使厚硬頂板發生冒落。根據爆破材料的不同，可將爆破弱化分為氣體爆破和炸藥爆破2種。1）液態CO2氣體爆破，這種爆破方法不僅不會產生火花，在爆炸時還會產生吸熱，在工作面內部即可進行操作，但其耗材成本極高。2）炸藥爆破，根據鉆孔深度的不同，又可進一步的分為淺孔循環式爆破和深孔預裂式爆破。深孔預裂爆破的鉆孔深度在15m以上，而且隨著鉆孔技術及裝備發展，其爆破深度目前已可以達到50m～150m。采用深孔預裂爆破具有安全、不影響工作面正常生產以及效果顯著等優點，在我國，深孔預裂爆破是目前常采用的初采期間強制放頂方法。

在上述爆破流程中，切眼的位置選擇至關重要，它決定了炸藥的填充位置。頂板一般包括多個巖層，因此切眼的位置一般設定在底部，如圖2所示。

圖2顯示了切眼和運輸順槽的相對位置關系。切眼和回風順槽的位置關系也非常重要，也決定了頂板爆破的效果。

爆破過程中，使用2號巖石礦用粉狀乳化炸藥連續串裝藥結構，藥卷規格為?35mm×250mm，質量為0.2kg/卷。雷管為煤礦許用數碼電子雷管，封眼材料用黃泥，FD-200D型起爆器起爆，雙芯膠質母線，長度不得低于120m。爆破參數見表2。

進一步檢驗東龐礦該綜采面端部初采頂板預裂方案的可行性及爆破強制放頂的效果，使用YTJ20型礦用巖層探測記錄儀進行記錄。通過探測儀記錄的圖像，可以對頂板爆破前后的情況進行觀測。

按照公式（1）和公式（2）計算爆破過程中的破壞力。本試驗中，爆破半徑r為5m，爆破力殘差e為1.5，爆破力矩約M為2000，爆破慣性矩約為0.7，爆炸物質量為2kg，重力加速度取9.8m/s2，爆破截面積約為10m2，根據公式（1）可以計算表示爆破工程中的拉應力。

（1）

式中：σF為爆破工程中的拉應力；M為破壞力矩；m為參與爆破物的質量；g為重力加速度；r為爆破半徑；e為爆破力臂殘差；A為爆破截面積。

再考慮爆破傾角β為5°，根據公式（2）計算表示爆破工程中的壓應力。

（2）

式中：σD為爆破工程中的壓應力；I為爆破慣性矩；β為爆破傾角。

爆破前后對比如圖3和圖4所示。

通過對比分析爆破前后效果可知，在爆破前，鉆孔內的巖體非常完整、連續，且沒有明顯的裂隙，在爆破后，鉆孔四周均出現了清晰明顯的豎向裂縫，裂隙發育程度明顯升高，進而說明爆破參數設計合理，且爆破后裂紋沿炮孔連線方向擴展，在各炮孔間形成了一定寬度的貫通裂縫，頂板沿裂隙整體被切落，有效實現了頂板結構的預裂控制。

4 結語

對工作面初采階段的放頂技術（包括注水弱化和爆破弱化頂板技術）進行了對比分析，針對該綜采工作面的實際情況，決定初采階段強制放頂采取深孔預裂爆破技術。

本文介紹了深孔爆破頂板的弱化機理，設計了深孔預裂爆破方案，通過檢查炮孔質量、嚴格執行施工順序等確保了爆破施工期間的安全。

通過探測儀對頂板爆破前、后的情況進行觀測，爆破后裂隙發育程度明顯升高，有效實現了頂板結構的預裂控制。實踐證明，深孔預裂爆破方案取得了良好的預裂效果，能夠有效減小綜采面初采期間來壓帶來的巨大沖擊力的影響，保障了生產安全。

參考文獻

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