某矿坚硬顶板深孔预裂爆破技术

刘亮飞

(汾西矿业(集团)有限责任公司双柳煤矿)

1 深孔爆破方案设计

1.1 工作面概况

某矿12418工作面开采一水平西一采区8#煤层，工作面标高-726～-544 m，煤层埋深约 630 m，工作面走向长1 767～1 727 m，平均1 747 m，倾斜长220 m，面积375 229 m2，煤层总厚0.9～5.5 m，平均3.5 m，煤层结构简单，煤层上部有1层夹矸，煤层倾角为2°～22°，平均13°。工作面采用走向长壁后退式采煤法，综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板。工作面的顶底板特征参数如表1所示。紧邻工作面煤层上方为2.8 m厚的砂质泥岩直接顶，垮落后无法充满采空区；再向上为厚度约14.50 m的中细砂岩，该岩层为坚硬顶板治理的重点层位。

表1 12418工作面顶底板特征

1.2 顶板处理高度确定

12418工作面煤层厚度平均为3.5 m，采高平均为3.2 m。为确保工作面回采后，采空区能够充满矸石，降低顶板来压冲击，12418工作面顶板岩层处理的最小范围为沿工作面顶板至上方10.6 m的区域[5-8]。由该工作面的顶底板条件可知，工作面上方为2.8 m厚的直接顶，直接顶上方为厚14.5 m的基本顶。为减小工作面矿压显现，应将基本顶全部切断，本研究确定的顶板弱化处理高度为17.3 m。

1.3 深孔爆破关键参数确定

(1)装药不耦合系数。当装药不耦合系数较小(小于1.7)时，随着装药不耦合系数的增大，炮孔孔壁所受压力减小，但孔壁受压时间增加[1-3]。适当减小孔壁压力后，炮孔周围的压碎区范围减小且主裂纹分岔数减少，能够有效提高炸药能量利用率，有效增大裂隙区范围。结合该工作面的具体条件确定药卷直径为60 mm，炮孔直径为75 mm，装药不耦合系数为1.25。

(2)炮孔间距。本研究对药卷直径60 mm、炮孔直径75 mm时爆破后炮孔周围裂隙区的范围进行了计算分析，结果显示裂隙区半径为1.17 m；相应的数值模拟结果显示，裂隙区半径为1.34 m。裂隙区半径取理论计算和数值模拟的最小值，即1.17 m。为取得“拉槽”爆破的效果，合理的炮孔间距应为裂隙区半径的2倍，即2.34 m，本研究取 2.3 m。

(3)封孔长度。本研究经过数值模拟分析认为，当炮孔长度为20 m时，合理封孔长度为6 m，最终确定合理的封孔长度为6.1 m。在具体实践中，当炮孔长度增大时，封孔长度应当适当增加。

1.4 初采切眼拉槽爆破方案

根据该矿实际生产条件设计的炮孔布置方案如图1所示。选取的切眼深孔爆破参数如表2所示。

图1 切眼钻孔布置示意

药卷直径/mm炮孔直径/mm孔口间距/m孔深/m封孔长度/m终孔距顶板/m炮孔与顶板夹角/(°)60752.3206.117.360

1.5 两顺槽爆破方案

为确保顶板在初采时顺利垮落并降低周期来压步距，需要在切眼前方的上下端头巷道进行补充爆破[4-5]，炮孔组间隔为25 m，炮孔布置如图2所示。各个炮孔孔口沿煤层顶板施工，孔口间隔1.0 m。最终的确定两顺槽超前预裂爆破方案的具体技术参数见表3。

图2 两顺槽超前预裂爆破炮孔剖面

炮孔编号孔深/m封孔长度/m终孔距煤层顶板/m炮孔与顶板夹角/(°)X#143817.324X#2771417.313X#391251111X#443717.324X#5771217.313X#6912211.011

注：药卷直径为60 mm；炮孔直径为75 mm。

2 爆破效果评价

12418工作面推进12.6 m后，78#～84#架后方的直接顶初次垮落，当工作面推进27.8 m后，所有支架后方均有冒落矸石充填。工作面推进较短距离后，支架后方顶板已基本冒落，冒落矸石能够接顶，采空区基本被充填满。从工作面支架的缝隙及上、下隅角向采空区后方观察，均可见到充满的矸石，可见，深孔预裂爆破效果明显。

12418工作面观测的主要内容为工作面支架压力，采用在线式支架压力记录仪监测综采工作面支架工作阻力。2017年9月30日完成矿压监测设备安装工作，截至2017年10月30日，观测持续31 d，工作面累计推进100.3 m。支架压力记录仪沿工作面布置方向布置了15个，监测表明，该工作面顶板的初次来压步距较小(25.6～34.4 m)，平均为27.8 m。数值模拟分析显示12418工作面顶板未来进行深孔爆破处理时的初次来压步距大于56 m，且实际开采过程中，其相邻类似条件工作面的初次来压步距在40 m以上，可见本研究坚硬顶板深孔预裂爆破效果显著，有效减小了工作面的初次来压步距，避免了由于初次来压步距过大带来的安全隐患。

为进一步分析支架的受力状态，本研究对支架的工作阻力频率分布特征进行了分析。由图3可知：支架的工作阻力主要分布于8 000 kN以下，各支架超出额定工作阻力10 800 kN的比例较小，安全阀开启率极低，支架的工作阻力富裕量较大，可见该工作面采用深孔预裂爆破处理坚硬顶板后矿压显现不明显，深孔爆破取得了较为理想的效果。

图3 工作面工作阻力频率分布直方图

3 结 语

对某矿12418工作面的顶板深孔预裂爆破方案进行了设计。现场试验结果表明，深孔爆破后，工作面的初次来压步距大幅减小，支架所受压力明显降低，表明爆破参数选取合理，可有效保证该工作面初采期间的安全开采。