深孔预裂爆破技术在综放工作面中的应用

安新龙 孙兴磊 位书鑫

（郑宏恒泰（新密）煤业有限公司，河南 郑州 452376）

工作面上方若存在一定厚度的坚硬砂岩、砾岩或石灰岩，则该顶板称之为坚硬顶板[1]。坚硬顶板如果不采取措施，容易发生大面积悬顶的情况，一旦大面积垮落，将给工作面带来强烈的矿压显现，造成支架压死、冒顶和片帮等，给煤矿生产带来极大的安全隐患[2-3]。目前，解决坚硬顶板悬而不垮的措施有：定向切割顶板技术、定向水力压裂预裂和深孔预裂爆破等，其中深孔预裂爆破技术应用比较成熟[4-5]。

1 工程概况

恒泰煤矿13020 综放工作面位于13 采区下山西翼，为首采面，该工作面东部为13 采区下山，北部是任岗断层，西部是井田边界，南部是未开采区域。该工作面开采山西组二1 煤层，煤层平均厚度7.2 m，倾角18°～22°，走向长430 m，倾斜长150 m。煤层无直接顶，基本顶为中粒砂岩组成的坚硬底板，岩性致密坚硬、难冒落，坚硬顶板平均厚度36.1 m，岩石单向抗压强度为89 MPa。煤层为松散煤层，硬度系数f=0.3～0.5。工作面底板为砂质泥岩。

在13020 工作面上、下副巷由里向外各施工布置3 个探查孔，钻孔间距100 m，均垂直岩层倾向。设计布置钻孔探查煤层顶板情况，通过6 个钻孔柱状和岩芯对比，可知13020 切巷向外80 m 范围内煤层伪顶、直接顶大量缺失，基本顶砂岩（中粒砂岩）厚度26.5～38.3 m，岩性致密坚硬，预计难以冒落。

2 深孔预裂爆破放顶方案

结合上述情况，确定在工作面及上、下副巷钻场进行深孔预裂切顶。工作面支架安装前，在切眼内对坚硬顶板预裂爆破，在上下副巷采取深孔超前预裂爆破进行切顶处理。

2.1 工作面切巷深孔预裂钻孔布置

13020 工作面切巷全长布置炮孔，深孔预裂炮孔共计布置88 个，采用ZYJ-269/168 型架柱式液压回转钻，孔径65 mm。将工作面分三段，炮孔间距分别为：上部2.1 m，中部1.8 m，下部1.5 m。炮孔与水平方向的夹角β=55º。炮孔深度超出基本顶上边界0.1 m。钻孔布置如图1，开切眼预裂切缝剖面图如图2。

图1 钻孔布置示意图

图2 开切眼预裂切缝剖面图

2.2 工作面超前预裂钻孔布置

13020 工作面超前深孔预裂爆破采用巷道双向钻孔切断基本顶。1#号钻场位于上副巷，超前采煤工作面20 m；2#号钻场位于下副巷，超前采煤工作面20 m；3#号钻场位于下副巷，超前采煤工作面距离35 m。上、下副巷钻场超前预裂爆破炮眼布置图如图3。

图3 上、下副巷钻场超前预裂爆破炮眼布置图

3 效果检验

3.1 切巷爆破后的效果

在13020 工作面切巷安装矿用钻孔成像轨迹监测装置进行围岩结构观测，分析爆破预裂前后围岩变形与破坏特征。共布置3 个窥视钻孔，1 号窥视孔位于工作面上部，2 号窥视孔位于工作面中部，3号窥视孔位于工作面下部。

1 号窥视孔观测结果表明，围岩中存在各种裂隙和空洞，有些裂隙张开度很大，有些孔段岩体非常破碎，容易出现塌孔现象。窥视结果如表1 和图4。

表1 13020 切眼1 号窥视孔观测结果

图4 1 号窥视孔围岩结构观测图像

2 号窥视孔观测结果表明，围岩中存在各种裂隙和轻微空洞，有些裂隙张开度不大但有穿孔迹象。具体结果如表2 和图5。

表2 13020 切眼2 号窥视孔观测结果

图5 2 号窥视孔围岩结构观测图像

3 号窥视孔观测结果表明，围岩中存在裂隙和空洞，裂隙明显。窥视结果如表3 和图6。

表3 13020 切眼3 号窥视孔观测结果

图6 3 号窥视孔围岩结构观测图像

通过3 个窥视孔的观测，切巷围岩中存在明显裂隙和空洞。有些裂隙张开度很大，部分孔段岩体非常破碎，容易出现塌孔现象。有些钻孔内环形裂隙明显，有穿孔迹象，裂隙明显。总之，爆破效果符合预期。

3.2 基本顶初次来压情况

13020 综采工作面实施顶板预裂爆破及超前钻场深孔预裂爆破后，回采期间基本顶初次来压步距统计平均值为15 m，周期来压步距为10 m 左右，顶板能随工作面回采及时垮落，充填采空区。

为进一步改善顶板垮落效果，在工作面推采期间，将工作面进行调斜，尽量让工作面切巷深孔预裂方向及超前钻孔预裂方向斜交。工作面上部顶板随着工作面推采垮落较为及时，在初次来压之前，爆破孔内的PVC 管受钻孔裂隙错动影响下落至采空区。下副巷推采至20 m 左右时，基本顶初次来压。工作面初次来压表现为：出现有闷雷声，在第40 架液压支架位置尾部出现矸石，并呈大小不规则形状、块度不均，大的矸石可达10 m³左右，矿压监测在线监测数据压力有所增加。

3.3 基本顶周期来压期间顶板垮落情况

13020 工作面切巷向外，伪顶及直接顶逐步发育，厚度逐步增加，且基本顶中粒砂岩中部有砂质泥岩夹层。工作面初次来压结束后，基本顶垮落，工作面每推进15 m 左右时，工作面周期性来压。周期来压期间支架工作阻力增加，煤壁片帮架数增多。待工作面周期来压结束后，工作阻力恢复正常状态，煤壁不再片帮。

4 结语

13020 工作面坚硬顶板，通过切巷深孔预裂爆破、上下副巷超前预裂爆破、调斜工作面、煤层注水和加快推进速度等措施，工作面初次来压和周期来压步距始终处在可控范围，有效防止了工作面顶板事故的发生，实现了安全回采。