预裂爆破钻孔在坚硬中厚砂岩顶板突出煤层条件下的应用研究

姚建兵

（皖北煤电集团任楼矿，安徽 濉溪 235000）

1 工作面概况

Ⅱ7224N 综采工作面煤岩层呈近单斜构造，走向近南北，倾向80°～95°，倾角平均15°。工作面72 煤层平均厚度2.1m，煤层赋存较稳定，结构较复杂。煤层受构造影响，局部起伏、变薄现象明显。老顶为浅灰色细砂岩，细粒结构，块层状构造，成分以石英为主，钙、硅质胶结，平均厚度21m±，性硬，具水平层理。自然状态下，单向抗压强度为74.2MPa±。直接顶为浅灰～灰色粉砂岩、泥岩，泥岩含植物化石。粉砂岩，砂质结构，层状构造，成分以石英为主，钙质胶结，平均厚度2m±。自然状态下，单向抗压强度为67.7～48.9MPa，平均58.3MPa±。底板为灰色粉砂岩，钙质胶结，性硬，单向抗压强度57.3MPa±。

任楼矿为煤与瓦斯突出矿井，72 煤层为突出煤层，Ⅱ7224N 工作面属煤与瓦斯突出危险区域。72煤瓦斯含量7.23m3/t，压力0.74MPa，工作面相对瓦斯涌出量8.91m3/t。工作面采用后退式倾向长壁综合机械化采煤方法，自然垮落顶板。

2 高位钻孔布置及瓦斯治理存在问题

采用区域防突措施后，回采过程前期主要采用风巷高位钻孔及上隅角埋管抽放采空区瓦斯，风巷高位钻场间距60m 至70m 布置。在风巷钻场向工作面方向施工顶板走向高位钻孔，呈扇形布置。每个钻场内设计8 至10 个钻孔，分高低两排布置，每排布置4 个钻孔，孔深100m±，孔径不小于～108mm，终孔位于距煤层顶板8～12m 的裂隙带中，终孔间距8m，钻场之间钻孔压茬不小于30m。平面布置上靠近风巷的4 个钻孔全程下设套管。

高位钻孔抽放过程中，未采取顶板深孔预裂爆破技术措施的高位钻场抽放浓度较低，煤壁容易片帮，采煤机行走至上隅角附近时切眼风排瓦斯量减少，都容易造成上隅角瓦斯浓度越警，使得工作面停产；上隅角老塘附近顶板退锚后不能及时冒落，存在采空区顶板大面积突然垮落和局部积聚的瓦斯突然涌出的安全隐患。

3 预裂爆破技术对瓦斯治理作用

根据采空区上覆“三带”理论，高浓度瓦斯主要集中在冒落带顶部和裂隙带中下部。但由于是坚硬中厚砂岩顶板，顶板裂隙不发育，布置的高位钻孔很难和上隅角采空区导通，因此需要弱化顶板，促使裂隙发育、采空区及时冒落。当炸药在预裂爆破钻孔内爆炸后，在爆炸应力波、爆炸产生的气体和煤岩层内原有瓦斯压力作用下，在岩石中形成爆炸空腔，产生裂隙并扩张原生裂隙，在一定范围内形成较大的连通裂隙网。在连通裂隙网形成后，高位钻孔抽放采空区及附近煤体瓦斯的通道进一步打通、增强，高位钻孔抽放范围扩大，瓦斯抽放率提高。

在预裂爆破及高位钻孔抽放影响范围内的煤体内部瓦斯经“解吸→扩散→渗流”过程，流体含量和流体压力逐步下降，煤体坚固性系数进一步提高，煤体整体变硬，煤壁片帮、掉顶现象减少，导致煤与瓦斯突出的地应力下降。

4 预裂爆破技术

（1）预裂爆破方案参数及要求

在高位钻场之间每隔20m 均匀布置一组预裂爆破钻孔，每组布置三个预裂爆破钻孔A1、A2、A3，三个预裂爆破钻孔在一条直线上。预裂爆破钻孔孔径均为Φ91mm，钻孔方位与风巷方位的夹角均为90°，钻孔控制范围为距煤层顶板上14m、距风巷下帮31m。A1、A2、A3 孔倾角分别为50°、24°、12°，孔深分别为15m、22m、31m，封孔长度分别为7m、9m、12m。每组采用同一段数雷管串联同时起爆，先施工预裂爆破孔再施工相应区域的高位抽放钻孔。预裂爆破钻孔施工顺序：A1 孔打眼、装药、封孔→A2 孔打眼、装药、封孔→A3孔打眼、装药，封孔→本组孔连线爆破。Ⅱ7224N风巷高位钻孔及预裂爆破钻孔布置图如图1 所示。

（2）材料及工具

材料准备主要有干炮泥、Φ65mm×1000mm 炸药、导爆索。工具准备主要有 ZLJ4000 型钻机1 台、Φ108mm 钻头1 个、Φ63.5mm×1.0m 钻杆100 根、炮泥封孔器1 台、PVC 炮棍60m、Φ10mm×10m高压钢编管5 根。

图1 Ⅱ7224N 风巷高位钻孔及预裂爆破钻孔布置图

（3）预裂爆破钻孔参数

预裂爆破钻孔参数及预裂爆破说明见表1。

表1 预裂爆破钻孔参数及预裂爆破说明表

5 治理效果

（1）钻场正常抽放期间，未采用顶板预裂爆破技术措施的钻场总抽放纯量普遍在2～4m3/min，单孔抽放浓度最高在15%以下，钻场总管路抽放浓度3%～10%；采用顶板预裂爆破措施的钻场总抽放纯量普遍在6～8m3/min，单孔抽放浓度最高可达到80%～90%，钻场总管路抽放浓度在15%～40%。瓦斯抽放浓度和抽放量明显提高。

（2）未采取顶板预裂爆破措施上隅角瓦斯浓度平均在0.8%～0.9%左右，采用顶板预裂爆破措施后上隅角瓦斯浓度平均在0.45%左右。上隅角附近瓦斯浓度明显下降，瓦斯治理压力降低。

（3）上隅角老塘附近顶板可以及时冒落，消除了采空区顶板大面积突然垮落和瓦斯突然涌出的安全隐患。

（4）随着煤体坚固性系数提高，煤体整体变硬，综采工作面煤壁片帮明显减少，效检煤样钻屑量及解吸指标明显下降，煤与瓦斯突出危险性降低。

6 结语

（1）目前工作面已经顺利回采完毕。顶板预裂爆破技术措施提高了瓦斯抽放率，增强了抽放效果，减少了抽放时间，降低了风排瓦斯量，一定程度地消除了煤层瓦斯突出的危险性，有利于防突和瓦斯综合治理工作。

（2）顶板预裂爆破钻孔及其爆破施工对顶板的破碎效果，对高位钻孔的施工有一定影响，因此必须控制好爆破后高位钻孔施工的时间点。