煤矿井下深孔爆破技术的应用研究

周密林

(中国煤炭科工集团山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006)

引 言

煤矿井下综采作业过程中对巷道顶板的管理是确保煤矿井下综采作业安全的核心，随着煤矿综采技术的不断进步，煤炭的综采作业深度不断提升，井下巷道顶板的复杂程度不断加大，特别是在井下厚煤层综采作业过程中，顶板硬度大、厚度高、平衡结构向着顶板深处转移，导致顶板无法在矿压波动下进行自行垮落，经常出现顶板垮落不及时而导致的顶板悬臂过长、大面积空顶、顶板突然垮落等，给煤矿井下的综采作业安全带来了严重的隐患[1]。因此，如何实现对坚硬顶板的预处理，使其按照一定的方案和规律垮落，确保综采作业安全便成了煤矿生产企业不断研究的难题。本文在前人研究的基础上，结合煤矿井下厚煤层坚硬顶板的特殊结构，提出了一种新的煤矿井下深孔爆破技术，其灵活地运用深孔爆破的方式实现对顶板预裂缝位置的控制，满足不同情况下的顶板可控垮落需求，不仅极大地提升了综采作业期间的顶煤出采率，而且也能够有效地对顶板来压的强度进行缓冲，根据实际应用表明，煤矿井下深孔爆破技术方案能够有效地处理顶板硬度大、无法自行垮落的现象，顶煤出采率提升24.1%以上，给煤矿井下的综采作业安全和综采经济性带来了极大的提升。

1 深孔爆破方案分析

本文以煤矿井下典型的厚煤层综采作业面为研究对象，该综采面的平均埋深为670 m，综采面长度约为755 m，倾斜部分的长度约为271 m，巷道的一侧为采空区，一侧为待采区域，巷道直接顶为3.41 m厚的泥沙岩，顶板厚度为11.12 m，岩层的抗拉强度为8.4 MPa，岩层结构较硬，实际测算的初次垮落步距达到了47 m，极易出现超长悬空顶，一旦发生突然垮塌，容易导致瓦斯突出、人员伤亡等事故。由于该煤层巷道顶板结构强度大、韧性强，因此传统的水力压裂顶板的控制方案不仅效率较低，而且难以起到显著的预裂效果，因此本文提出了深孔爆破欲裂顶板方案。

由于煤矿井下综采面顶板的割煤高度、放煤高度等直接影响到顶板垮落后的充填效果，影响到井下综采面的施工难度[2]，因此在进行预爆破设计时一般以垮落的顶板能够将采空区进行完全充填为目标，此时放顶板爆破时的距离HX可表示为式(1)[3]。

(HX+HF)ξ=HC+HF+HX

(1)

式中，HC为井下割煤高度，取3.4 m；HF为井下放煤高度为，取6.1 m；ξ为顶板岩层的碎胀系数，取1.2。

由此计算可知，在此状态下顶板的爆破距离设置为10.9 m。

由于一般井下综采面的切眼上方会有一定厚度的顶煤，因此实际爆破孔的选择需要根据顶煤厚度H和计算出的爆破距离HX进行设置，实际的爆破距离为(H+HX)。在进行爆破孔设置时，与煤层之间的倾角设置为45°，爆破孔的深度设置为21 m。在对爆破孔设置时需要根据顶板岩层的实际厚度进行选择，一般顶板厚度小于3 m时设置一排爆破孔即可，当顶板厚度超过3 m时就需要设置2排以上的爆破孔，根据该井下岩层的实际特点设置2排爆破孔，一排设置在进风巷一侧，一排设置到回风巷一侧，爆破孔的仰角和切眼方向呈45°角，且朝着综采面综采方向有9.8°的摆角，爆破孔的设置如图1所示。

图1 煤矿井下爆破孔设置示意图

完成爆破后煤矿井下综采面的充填情况如图2所示。

图2 爆破后充填效果示意图

由图2可知，采用双排爆破方案后，综采面的顶板上侧能够产生明显的垮落区域，顶煤及岩层能够完全垮落，当综采面的支护液压支架随着综采作业的进行，逐渐前移时，垮落的顶煤和顶板能够及时将采空区域进行充填，而且顶煤位于充填区域的前端，能够进一步提升顶煤的出采率，根据实际分析验证，该方案下顶煤的出采率可以提升24.1%以上，能够显著提升综采作业的经济性。

2 深孔爆破稳定性分析

为了对深孔爆破后巷道顶板来压效果进行分析，本文利用矿压数据监测设备[4]，对深孔爆破后的区域进行综采过程的连续性矿压和液压支架支护时的工作阻力进行监测，结果如图3所示。

由图3可知，在爆破后顶板初次来压的过程中，综采面液压支架的支护阻力大多数表现出了上升的趋势，部分液压支架的支护阻力已经超过了设定的7 000 kN的额定工作阻力，达到了开启安全阀进行泄压的阶段，但达到泄压的支架数量极少而且持续时间较短，表明了对顶板来压的控制效果较好，满足井下安全支护的需求。

图3 煤矿井下液压支架支护阻力变化示意图

3 结论

针性煤矿井下厚煤层综采作业面顶板硬度大、厚度高，难垮落，给煤矿井下综采作业安全带来严重隐患的现状，本文提出了一种新的以人工对顶板进行深孔爆破，控制顶板垮落的技术，其灵活的运用深孔爆破的方式实现对顶板预裂缝位置的控制，满足不同情况下的顶板可控垮落需求，根据实际应用表明：

a) 进行预爆破设计时一般以垮落的顶板能够将采空区进行完全充填为目标，确保爆破的经济性和安全性；

b) 实际爆破孔的选择需要根据顶煤厚度H和计算出的爆破距离HX进行设置，实际的爆破距离为(H+HX)，顶板厚度小于3 m时设置一排爆破孔即可，当顶板厚度超过3 m时就需要设置2排以上的爆破孔；

c) 该方案下顶煤的出采率可以提升24.1%以上，能够显著提升综采作业的经济性，同时爆破后顶板初次来压持续时间段，压力小，表明了深孔爆破方案能够有效地控制来压强度，提升煤矿井下的综采作业安全。