8605 工作面堅(jiān)硬砂巖頂板深孔預(yù)裂爆破卸壓技術(shù)研究

常建飛

（山西大同煤礦集團(tuán)有限公司煤峪口礦，山西 大同 037003）

厚硬頂板的存在會(huì)對(duì)工作面的正?；夭蓭?lái)一定影響，采取合理的卸壓措施是確保采場(chǎng)頂板穩(wěn)定的關(guān)鍵。當(dāng)采場(chǎng)上覆厚硬頂板時(shí)，工作面開(kāi)采過(guò)程中礦壓集中現(xiàn)象較為明顯，受懸頂影響支架工作阻力升高、煤壁破壞片幫，影響工作面安全，因此需要對(duì)頂板進(jìn)行卸壓處理，有諸多學(xué)者曾對(duì)此進(jìn)行了研究[1-4]。

煤峪口煤礦8605 工作面基本頂為厚硬砂巖，不易自然垮落，隨著工作面的推進(jìn)在采空區(qū)后方形成大面積懸露，頂板的突然垮落極易引起災(zāi)害的發(fā)生。針對(duì)工作面開(kāi)采實(shí)際，提出在工作面內(nèi)布置爆破鉆孔，采取深孔預(yù)裂爆破措施對(duì)頂板進(jìn)行卸壓處理，研究了爆破炮孔布置方式與布置參數(shù)。

1 工程背景

8605 工作面位于406 盤(pán)區(qū)，平均埋深為400 m，面寬為129.6 m，推進(jìn)距離為540 m。工作面運(yùn)輸順槽為矩形機(jī)軌合一巷，長(zhǎng)度717 m，回風(fēng)順槽為矩形巷，長(zhǎng)度758 m。所采煤層為14-2#煤，煤層厚1.7～3.6 m，平均厚度為2.5 m，煤層傾角為1°～3°，平均傾角為2°。14-2#煤煤質(zhì)呈半暗型，較硬，含節(jié)理，工作面上覆基本頂為厚5.08 m 的砂巖。頂板賦存情況見(jiàn)表1。

2 頂板弱化卸壓技術(shù)確定

2.1 深孔預(yù)裂爆破技術(shù)

8605 工作面上覆基本頂巖性堅(jiān)硬，整體性及穩(wěn)定性較好，在采面推進(jìn)過(guò)程中易發(fā)生懸頂，不易及時(shí)垮落。針對(duì)工作面頂板賦存特征，為了保障工作面的安全與正常推進(jìn)，需要采取合理、有效的方法弱化采空區(qū)頂板，即需改變頂板的賦存形態(tài)或改變頂板砂巖層的物理強(qiáng)度，以使其能夠正?？迓?，減小采空區(qū)懸頂面積，防止大面積、大強(qiáng)度的頂板來(lái)壓現(xiàn)象對(duì)工作面回采造成危害。

根據(jù)8605 回采工作面具體布置情況以及頂板特征，綜合考慮對(duì)8605 綜采工作面采用深孔預(yù)裂爆破頂板的方式處理其煤層上覆堅(jiān)硬砂巖頂。該處理方式可合理地把握頂板冒放的高度與跨度，減小頂板的一次垮落面積，近可能地達(dá)到理想的放頂效果。

深孔預(yù)裂爆破即在采煤工作面內(nèi)向煤層頂板進(jìn)行打孔爆破，以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層頂板形成塑性破壞、釋放壓力的目的，原堅(jiān)硬頂板將隨工作面回采推進(jìn)而自然垮落。該處理方式可有效縮短頂板的來(lái)壓步距，降低頂板懸露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生突然來(lái)壓的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 深孔爆破基本參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）預(yù)裂爆破角度

鉆孔角度會(huì)影響裝藥工作的開(kāi)展，不僅要保證藥卷不會(huì)發(fā)生下滑，并且要降低施工成本。綜合考慮后，設(shè)計(jì)鉆孔角度為45°。

（2）預(yù)裂爆破高度

鉆孔長(zhǎng)度顯著影響預(yù)裂爆破的成效，需基于進(jìn)行弱化卸壓堅(jiān)硬巖層的稟賦特征確定。根據(jù)8605綜采工作面布置情況可知，工作面設(shè)計(jì)采高為2.5 m，上覆5.08 m 硬砂巖頂板，為了能夠使得爆破垮落的頂板能夠完全填滿采空區(qū)，應(yīng)合理設(shè)計(jì)放頂深度。爆破有效放頂深度H 為：

式中：M 為采高，取2.5 m；Kp為矸石碎脹系數(shù)，參考實(shí)際情況取1.262。則H=9.5 m。根據(jù)鉆孔仰角度為45°計(jì)算，則鉆孔長(zhǎng)度L=H/sin45°=13.5 m。

（3）預(yù)裂爆破鉆孔間距

爆破鉆孔間距由爆破裂隙區(qū)的直徑?jīng)Q定。由于預(yù)裂爆破的主要目的是在頂板產(chǎn)生貫通裂隙，因此鉆孔的間距應(yīng)小于裂隙區(qū)直徑。同時(shí)巖石力學(xué)性能及炸藥的威力也會(huì)直接決定裂隙發(fā)育情況。基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)鉆孔間距為6 m，選用2 號(hào)煤礦許用乳化炸藥。

（4）爆破循環(huán)步距

在采面回采期間均采取預(yù)裂爆破不僅工程量大，而且影響采面推進(jìn)速度，所以需要合理設(shè)計(jì)爆破循環(huán)步距?；?605 工作面的開(kāi)采參數(shù)、巖石特征等現(xiàn)場(chǎng)條件，結(jié)合以往類似工作面開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，綜合確定爆破循環(huán)步距為18 m。

深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置如圖1，具體施工參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 煤層頂板巖性特征

圖1 深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置

表2 預(yù)裂爆破鉆孔施工參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

采取深孔預(yù)裂爆破措施對(duì)工作面頂板進(jìn)行卸壓后，上覆厚硬砂巖頂板力學(xué)性能及整體結(jié)構(gòu)被弱化，可以緩解工作面煤壁及支架承受的載荷。為驗(yàn)證頂板卸壓效果，對(duì)工作面頂板來(lái)壓情況進(jìn)行了礦壓觀測(cè)分析。

8605 工作面支架安裝后，回采前在開(kāi)切眼內(nèi)準(zhǔn)備深孔預(yù)裂爆破頂板卸壓。采面推進(jìn)5 m 后，于支架后方做爆破準(zhǔn)備工作。起爆順序設(shè)計(jì)為由運(yùn)輸巷端頭向回風(fēng)巷端頭順序依次起爆。經(jīng)過(guò)爆破后，頂板能夠明顯發(fā)現(xiàn)爆破產(chǎn)生的裂隙。采面回采一定距離后，堅(jiān)硬頂板能夠及時(shí)破斷。礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，8605 工作面基本頂?shù)某醮纹茢嗑嚯x為23.9 m，周期破斷距離為18.6 m。根據(jù)工作面安裝的支架工作阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)果，可分析得出頂板來(lái)壓情況。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分上、中、下3 個(gè)區(qū)域，共安裝9 個(gè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架的工作阻力。在頂板來(lái)壓期間，支架仍有一定的富余阻力。工作面頂板初次來(lái)壓情況見(jiàn)表3。

表3 工作面初次來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)

基于對(duì)工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果的分析，可以得出采取深孔預(yù)裂爆破措施后能夠有效地對(duì)厚硬砂巖頂板進(jìn)行弱化卸壓，同406 采區(qū)已采工作面的初次來(lái)壓步距46.8 m 相比，縮短了22.9 m，降低了煤壁和支架承受的載荷，工作面不再發(fā)生頂板懸露及煤壁片幫現(xiàn)象，保證了工作面的安全回采。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)8605 厚硬砂巖頂板工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈這一問(wèn)題，為控制巷道變形，提出采取深孔預(yù)裂爆破措施對(duì)頂板進(jìn)行卸壓處理。

（2）采取頂板預(yù)裂爆破措施后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明卸壓效果明顯，不再出現(xiàn)頂板懸露現(xiàn)象，工作面礦壓顯現(xiàn)較為平穩(wěn)。