頂板深孔預裂爆破技術在綜放工作面中的應用

肖自義，徐恒

（1.國家礦山安全監(jiān)察局山東局，山東 濟寧 272155；2.山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東 濟寧 272155）

近年來，綜采放頂煤采煤法在煤礦生產過程中得到廣泛應用，但由于在工作面回采生產中上覆巖層不斷運動，由最開始的初次運動到后面呈現一定規(guī)律的斷裂運動，頂板懸頂距離過長等問題頻發(fā)，容易引發(fā)沖擊地壓[1]?；诖?，陽城煤礦3305 綜放工作面通過應用頂板深孔預裂爆破技術，降低頂板區(qū)域應力集中程度，進而達到降低工作面沖擊危險性、保障安全生產的目的。

1 概況

1.1 3305 工作面概況

陽城煤礦3305 工作面南側為三采區(qū)回風下山、東側為3303 工作面采空區(qū)、北側為DF53 正斷層、南側為3303 工作面采空區(qū)。工作面為矩形工作面，傾向長度為92 m，走向長度為451.9 m。工作面采用綜采放頂煤一次采全高長壁后退式采煤法，采空區(qū)采用全部垮落法處理。工作面標高-876—-1 020 m。3305 工作面布置如圖1所示。

圖1 3305 工作面布置Fig.1 Layout of No.3305 Face

1.2 煤層及頂底板巖性

3305 工作面煤層平均厚度為7.8 m，根據陽城煤礦3 號煤層及其頂底板巖層沖擊傾向性鑒定結果，3 號煤及頂底板巖層均具有弱沖擊傾向性。頂板上方100 m 范圍內存在較厚的堅硬巖層，分別為10.59 m 的細砂巖和10.51 m 的中砂巖。3305 工作面頂底板巖層情況見表1。

表1 3305 工作面頂底板巖層情況Table 1 Roof and floor rock conditions of No.3305 Face

2 3305 工作面沖擊機理

2.1 3305 工作面靜載力源

工作面回采后，工作面頂板巖層受到垂直載荷作用而發(fā)生彎曲變形，最終以工作面前方實體煤為支承旋轉下沉，基本頂巖層垂直載荷向實體煤區(qū)域轉移，進而造成實體煤邊緣應力集中[2]。結合3305工作面采掘布置情況，3305 工作面南側為3303 采空區(qū)，因此3305 工作面回采過程中會受3303 采空區(qū)側向支承壓力及本工作面上覆巖層自重載荷產生的超前支承壓力的影響，從而產生不同程度的應力集中，導致其內部積聚大量彈性應變能。

2.2 3305 工作面動載力源

隨著頂板巖層彎曲下沉量不斷增加，頂板巖層彎矩及內部積聚的彈性應變能持續(xù)升高。由于3305 工作面采高較大，冒落的煤巖體不能填滿采空區(qū)，進而無法對覆巖提供有效支承。因此，當頂板超過其強度極限時將發(fā)生斷裂，從而產生較強動載。同時工作面前方實體煤高應力區(qū)域在開采擾動等外部因素影響下，容易沿軟弱且無約束的結構面突然釋放彈性能，從而誘發(fā)沖擊地壓[3]。相關研究[2-3]表明當區(qū)域內靜載應力較高時，較小的動載增量也可能誘發(fā)沖擊地壓。

同時由于受FD49 斷層切割影響，在3303 采空區(qū)中懸露頂板距離小于頂板來壓步距，不易垮落，因此容易形成懸頂（如圖2中A 區(qū)域所示）；進一步，由于受3303 停采線約束，采空區(qū)三角區(qū)容易形成懸頂（如圖2中B 區(qū)域所示），懸露頂板可能突然破斷釋放能量，從而誘發(fā)沖擊地壓。

圖2 3305 工作面臨空側懸頂分析Fig.2 Analysis of suspended ceiling on goaf side of No.3305 Face

2.3 3305 工作面動靜載疊加誘沖機理

根據能量準則及強度準則，沖擊礦壓是煤體—圍巖系統(tǒng)在其力學平衡狀態(tài)破壞時所釋放的能量大于所消耗的能量時產生的動力現象，可用下式表示[3-5]：

式中：UR是圍巖中儲存的能量；UC是煤體中儲存的能量；US是礦震能量；UB是沖擊礦壓發(fā)生時消耗的能量。

煤巖體中儲存的能量和礦震能量可表示為[8-10]：

式中：σj是煤巖體中的靜載荷；σd是礦震形成的動載荷。

而沖擊礦壓發(fā)生時消耗的最小能量可表示為：

式中：Ubmin是沖擊礦壓發(fā)生時的最小載荷。

沖擊礦壓的發(fā)生需要滿足如下條件，即：

因此，3305 工作面在靜載應力相對較高區(qū)域產生強動載時便有可能發(fā)生沖擊地壓。

3 頂板深孔預裂爆破技術方案

3.1 頂板深孔預裂爆破防沖原理

由于3305 工作面沖擊危險與上覆頂板巖層的懸露有關，因此對于頂板在其集聚大量能量前實施頂板深孔預裂爆破可有效降低礦壓危險性，其原理是：在工作面前方，利用深孔爆破釋放能量，并在頂板中預制定向裂隙，使得回采后頂板在上覆巖層作用下沿預制裂隙回轉下沉，避免形成大面積的懸頂結構，從而能夠有效減少工作面前方實體煤靜載及強動載的產生[6-7]。

3.2 頂板深孔預裂爆破技術方案

3.2.1 工作面深孔預裂爆破方案

工作面回采期間對自切眼向外200 m 范圍內巷道頂板施工32 個深孔預裂爆破孔，如圖3中區(qū)域A 所示；皮順4 號導線點至7 號導線點之間90 m范圍內施工14 個深孔預裂爆破孔，如圖3中區(qū)域B 所示；軌順8 號導線點至7 號導線點向外23 m之間114 m 范圍施工21 個走向深孔預裂爆破孔，如圖3中區(qū)域C 所示。

圖3 深孔預裂爆破孔布置Fig.3 Layout of deep hole pre-split blasting hole

根據工作面鉆孔柱狀圖，確定爆破斷頂鉆孔布置在巷道中線位置，垂直巷道走向、偏向采幫側15°，孔徑75 mm，孔深30 m，間距6～8 m，如圖4所示。裝藥長度14 m，封孔長度16 m。

圖4 皮帶順槽頂板預裂爆破孔施工示意Fig.4 Construction of pre-split blasting hole in belt roadway roof

3.2.2 裝藥參數

鉆孔垂直于巷道頂板、順巷道中線單排布置，間距6～8 m，φ75 mm，孔深30 m。裝藥長度16 m，裝藥量20 kg/孔。

4 基于礦震分析的工程實踐驗證

4.1 軌道順槽頂板深孔預裂爆破效果分析

為對比分析深孔預裂爆破的效果，在3305 工作面回采之前，在切眼外80～180 m 實施了頂板預裂爆破，在切眼外180～280 m 未實施頂板預裂爆破。對比分析可知，回采期間，預裂爆破區(qū)域相比未預裂爆破區(qū)域，在相同推進時間距離內，微震事件數量及能量出現頻次明顯降低；在未預裂爆破區(qū)域，兩順槽微震事件分布較為均衡，在軌順預裂爆破區(qū)域的微震事件分布較皮順減少很多。

圖5 回采至切眼外側80～180 m時微震事件分布Fig.5 Microseismic events distribution while mining 80～180 m

圖6 回采至切眼外側180～280 m時微震事件分布Fig.6 Microseismic events distribution while mining 180～280 m

工作面回采過程中，FD49 斷層前后微震事件較為密集，完成了FD49 斷層前后的走向、傾向爆破預裂工作后，將頂板預裂爆破前后的微震事件分布如圖7所示。

圖7 軌順預裂爆破前后微震事件分布Fig.7 Microseismic events distribution before and after pre-split blasting in track roadway

對比分析軌順預裂爆破前后微震事件分布規(guī)律可知：軌順FD49 斷層前后區(qū)域完成預裂爆破后相較預裂爆破前，相同時間段內微震事件能量及頻次均出現大幅度下降。

4.2 皮帶順槽頂板深孔預裂爆破效果分析

3305 工作面皮順掘進期間，8 號導線點前后（區(qū)域B） 為微震事件密集區(qū)，掘進期間微震事件較密集。工作面回采到此區(qū)域前，設計完成皮順深孔預裂爆破卸壓。區(qū)域B 頂板預裂爆破前后的微震事件分布如圖8所示。

圖8 皮順預裂爆破卸壓前后微震事件分布Fig.8 Microseismic events distribution before and after pre-splitting blasting pressure relief in belt roadway

對比分析皮順預裂爆破前后微震事件分布規(guī)律可知，掘進期間區(qū)域B 為大能量事件密集區(qū)域，在回采至此區(qū)域前進行頂板預裂爆破，區(qū)域事件明顯減少；在皮順頂板預裂爆破完成后，相比頂板預裂爆破前，相同時間段內工作面微震事件能量及頻次均降低。

5 結論

（1） 對比分析3305 工作面回采預裂爆破區(qū)域（切眼外80～180 m） 與回采未預裂爆破區(qū)域（切眼外180～280 m） 的微震事件分布和能量大小，在預裂爆破區(qū)域推采時，微震事件數量較非預裂爆破區(qū)域數量少、能量低；且進行預裂爆破的順槽微震事件頻次及能量均較未預裂爆破的順槽低。

（2） 通過對掘進期間大能量事件集中區(qū)域進行預裂爆破卸壓，預裂爆破后，回采期間該區(qū)域微震事件能量、頻次均出現下降，其中大能量事件個數（＞104J） 下降顯著。

（3） 軌順FD49 斷層前后開展頂板預裂爆破后較開展頂板預裂爆破前，微震事件個數和能量頻次均出現下降。

（4） 綜合分析表明，深孔預裂爆破有利于降低綜采放頂煤順槽及斷層區(qū)域的沖擊危險程度，對其他類似條件的工作面安全回采具有一定的借鑒意義。