基于顶板预裂爆破关键层改性防治压架突水灾害

赵旦实

(西山煤电集团公司 马兰矿，山西 太原 030205)

·技术经验·

基于顶板预裂爆破关键层改性防治压架突水灾害

赵旦实

(西山煤电集团公司 马兰矿，山西 太原 030205)

以松散承压含水层下采煤工作面为研究背景，提出了基于顶板预裂爆破的关键层改性防范工作面压架突水灾害的措施。首先对顶板覆岩结构进行判别，针对覆岩满足复合单一关键层结构的条件，通过顶板预裂爆破弱化距离煤层10倍采高以内的厚硬岩层，实现关键层层位上移至10倍采高之外，避免覆岩形成复合单一关键层结构而发生复合破断，从而达到避免压架突水灾害的目的。在顶板预裂爆破防治压架突水灾害机理的基础上，介绍了基于顶板预裂爆破进行关键层改性措施的适用条件和应用方法。

松散承压含水层；采煤工作面；关键层；顶板预裂爆破；压架突水

1 易导致压架突水灾害的覆岩结构特征

基于松散承压含水层下采煤覆岩破断规律的研究，结合工作面压架突水的工程案例，发现在松散承压含水层的载荷传递作用下，当距离煤层小于10倍采高的顶板范围内存在主关键层，尤其是当煤层上方的第1层硬岩层厚度越大时，覆岩越易形成复合单一关键层结构，覆岩易发生整体破断，导致砌体梁结构滑落失稳进而引发压架突水灾害。易致灾的覆岩关键层结构类型见图1. 由图1可知，主关键层厚度较大，不易随采动及时破断，易导致采空区悬顶，一旦主关键层发生破断，必然引起松散承压含水层下部较大范围岩层发生整体破断，导致压架突水灾害发生。

图1 易致灾结构类型图

2 顶板预裂爆破的关键层改性机理

松散承压含水层下采煤压架突水灾害发生机理的研究结果表明，在松散承压含水层载荷传递作用下，并非所有区域都会发生压架突水灾害，是否具有压架突水危险除了与含水层的赋存特性有关之外，与覆岩结构也有很大关系。当覆岩主关键层距离煤层小于7～10倍采高时，在其破断时一般会导致一定范围内的覆岩整体垮落，造成工作面剧烈来压甚至引发压架突水灾害。对于覆岩关键层距离煤层小于7～10倍采高的情况，提出采用人工预裂爆破措施对主关键层爆破弱化，使覆岩主关键层位置上移至7～10倍采高以上，从而减小覆岩整体破断的危险性。

事实上，通过对距离煤层10倍采高内的坚硬岩层实施爆破弱化，使其不再成为坚硬岩层，而实际的关键层位置上移，大于10倍采高，破坏了关键层复合破断的发生条件。上述顶板预裂爆破的措施与大同矿区坚硬顶板条件下采用的强制放顶措施有本质的不同，根据文献的研究，在大同矿区的坚硬顶板条件下，通过采取强制放顶措施，弱化距离煤层一定范围内的坚硬顶板，使之成为直接顶，并可以随采动及时垮落充填采空区，因此一定意义上可以称作“人工再造假直接顶”。而本文提出的顶板预裂爆破措施，虽然也是针对顶板坚硬岩层实施的一项针对性措施，但是其目的是通过预裂爆破，弱化距离煤层最近的那层关键层，降低其强度，使之不再成为覆岩中的主关键层，进而降低关键层复合破断致灾危险性。顶板预裂爆破措施防治压架突水灾害机理的示意图见图2. 由图2 a)可知，当硬岩层1与硬岩层2同步破断时，硬岩层1为实际的主关键层，这种破断形式容易导致采场压架突水事故发生，通过预裂爆破弱化距离煤层最近的厚硬岩层(关键层1)，降低其强度，其承载性能降低，从而不再成为主关键层，而其上的硬岩层2成为主关键层，见图2b).

图2 顶板预裂爆破措施防治压架突水灾害的机理示意图

3 基于顶板预裂爆破的关键层改性原则和方法

3.1 预裂爆破的层位要求

当关键层距离煤层间距小于10倍采高层时，覆岩易表现为复合单一关键层结构，造成覆岩关键层破断后砌体梁结构的滑落失稳，引发工作面压架突水事故。因此，当覆岩结构满足上述致灾条件时，需要采用顶板预裂爆破措施，降低该主关键层强度，减小其破断步距，使其能随采动及时破断，避免在采空区形成大面积悬顶。

基于致灾机理的分析，在进行顶板预裂爆破方案设计时，要以破断距离煤层间距10倍采高以内的主关键层为目标。图1所示的覆岩结构属于易导致覆岩整体破断的结构类型，而采用顶板预裂爆破后，会导致20.17 m的主关键层强度降低，破断步距减小，不易成为覆岩中的主关键层，其上22.11 m的硬岩层将成为爆破后的主关键层，其与煤层间距为43.36 m，远大于10倍煤层采高，距离煤层较远，其下岩层受爆破弱化影响已发生破断，覆岩不会发生整体破断。同时，下位岩层破断、垮落后充填采空区也使得主关键层下部悬顶空间明显减小，主关键层破断时回转下沉量较小，对工作面的影响很小，一般不会导致压架突水灾害。人工顶板预裂爆破后覆岩关键层结构类型见图3. 在进行顶板预裂爆破方案设计时，必须以破断煤层顶板10倍采高以内的主关键层为基本要求。

图3 人工顶板预裂爆破后关键层结构类型图

在现场实践中，该措施的应用往往受到客观条件的影响，若煤层顶板条件不好，在施工预裂爆破钻孔时，会由于钻孔变形等因素，影响装药及爆破的效果。在确定预裂爆破钻孔孔口位置时，应选择顶板相对稳定的区域施工钻孔，尽量避免在煤壁开孔。

3.2 预裂爆破钻孔布孔方式的要求

采用顶板预裂爆破效果以弱化坚硬岩层并形成平行于整个工作面的弱面为最优，但是爆破钻孔施工过程中会由于工作面开采参数的不同导致钻孔深度变化较大，如面长，硬岩层厚度、坚硬程度等，导致施工困难增加，影响成孔、装药效果。因此，根据实际情况，针对不同面长采用不同的预裂爆破钻孔布孔方式。

1) 工作面面长较小。

工作面面长较小时，要在顶板形成平行于工作面的弱面，需要从机、风两巷施工对穿深孔，布孔方式见图4. 由于这种布孔方式需要机、风两巷钻孔基本上能够贯穿整个工作面，因此钻孔深度一般较大，这将受到实际地质条件、钻机性能、适宜钻进深度等实际条件的限制。根据实际情况，一般钻机钻进深度应控制在50～60 m，钻深过大，钻杆易在自重作用下弯曲，导致钻孔不直，易变形，影响装药。而且，一般施工对穿钻孔时，钻孔深度较大，施工时钻杆仰角小，在不考虑增设高位钻场的情况下，多数钻孔将从巷道煤帮开孔，存在较长的钻孔穿煤区，容易导致钻孔变形、堵塞甚至塌孔，影响后期装药。对穿钻孔适用于顶板坚硬岩层厚度较大、面长相对较小的工作面，这种布孔方式一般适用于面长100 m以下的工作面。

图4 机、风巷对穿布孔方式示意图

2) 工作面面长较大。

事实上，随着回采效率的提高，在条件允许的情况下，工作面面长有逐渐增大的趋势。面长较大时，若要采用机、风两巷对穿钻孔的布孔方式，钻孔深度要更大，且角度会更小，所以在进行钻孔设计时，考虑采用端头弱化结合步距控制的方式布置钻孔。这种布孔方式除了要使钻孔孔底位置能够达到所要弱化的坚硬岩层外，还需要在工作面两巷施工沿工作面推进方向的端头弱化钻孔，使顶板坚硬岩层的受力状态由爆破前的三边固支、一边简支改变为一边固支、三边简支，根据传统矿压理论，老顶的破断步距后者要小于前者，因此在进行爆破设计时，需要进行侧向弱化，以达到使厚硬顶板及时破断的目的。

3.3 顶板预裂爆破时施工要求

1) 由于顶板岩层一般较为坚硬，因此在钻孔钻进时要求以慢速位置，在软岩、硬岩交界面处尤其要放慢钻进速度，加大冲孔水量，避免不均匀钻进、快速钻进时钻孔不直的现象出现。2) 工作面进行顶板预裂爆破的现场施工时，要严格按照设计参数进行，避免出现因实际情况变化而随意更改设计参数的情况。若确实遇特殊情况需要调整参数，需先进行汇报申请，经讨论、修改后再行施工。3) 在进行顶板预裂爆破钻孔的施工时，若在钻进过程中遇到顶板岩性明显变化的情况，需对顶板中坚硬岩层的变化情况进行记录，以便更为详细地掌握顶板岩性变化情况，为后续工作面的开采提供参考依据。

3.4 爆破步距确定依据

人工预裂爆破步距的确定一般要参考顶板的实测来压步距。爆破步距一般小于顶板的来压步距。同时，要结合工作面支架的支护阻力，计算其可以允许的顶板悬露长度。这里以支架阻力能够控制顶板8倍采高以内的岩层重量为准，计算可以允许的顶板悬露长度(包括支架控顶长度)。其计算公式见式(1)：

L=P/(8Mbγ)(1)

式中：

L—顶板悬露长度，m；

P—支架额定工作阻力，kN；

M—煤层采高，m；

b—支架宽度，m；

γ—平均容重，kN/m3.

4 总 结

基于松散承压含水层下采煤覆岩破断规律的研究，提出了基于顶板预裂爆破的关键层改性来防范工作面压架突水灾害的措施。首先对顶板覆岩结构进行判别，针对覆岩满足复合单一关键层结构的条件，通过顶板预裂爆破弱化距离煤层10倍采高以内的厚硬岩层，实现关键层层位上移至10倍采高之外，避免覆岩形成复合单一关键层结构而发生复合破断，从而达到避免压架突水灾害的目的。在掌握顶板预裂爆破防治压架突水灾害机理的基础上，总结了基于顶板预裂爆破进行关键层改性措施的适用条件和应用方法。

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TechnologiesonPreventionandControlofWaterInrushHazardandStressCausedSupport-crushingBasedonPre-splittingBlastinginKeyStratumaboveRoof

ZHAODanshi

Taking the coal mining face under aquifers as the research background, the paper puts forward measures of pre-cracking blasting above the roof in key stratum to prevent the water inrush. To determine the key roof strata first according to the condition that the overlying stratum being inline with the composite, single, key layer structure. by presplit blasting, the thick and hard rock layers within 10 times the height of coal seam are weakened and the key layers are moved upward to the height of beyond the 10 times coal seam, so to prevent the catastrophe of sudden collapse of the key strata. Besides, the related application requisite condition and operational methods for the presplit are also introduced in the paper.

Aquifer above the working face; Coal face; Key strata; Roof pre-splitting blasting; Water gush

2017-08-21

赵旦实(1986—)，男，山西古交人，2007年毕业中国矿业大学成教学院，助理工程师，主要从事采煤技术工作

(E-mail)1557519378@qq.com

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1672-0652(2017)11-0008-04