综采工作面坚硬顶板深孔预裂爆破技术应用研究

孟令新

（锡林郭勒盟能源管理综合行政执法支队，内蒙古 锡林浩特）

引言

综采工作面上覆顶板存在厚硬岩层容易使采空区造成大面积悬顶不落，悬顶大面积垮落造成剧烈的矿压显现可能造成设备损坏、人员伤亡等危险，为保证综采工作面回采安全，通过理论分析及数值计算等方法研究表明，引起工作面和巷道内剧烈来压的主要原因为工作面坚硬顶板，因此设计采用深孔爆破顶板预裂技术进行控制。

1 工作面概况

塬林煤矿W1-108 工作面北侧以运顺为界与107采空区相邻，东侧以设计采止线为界，接近ZK11-2 钻孔。南侧以回顺为界与F10 号断层相邻。西侧以切眼为界，接近煤层可采边界及冲刷变薄带。对应地表为牧民草场，高程+1 415～+1 421 m 之间，工作面煤层底板高程+1 194～+1 280 m 之间。工作面顶板与地表垂直距离137.2～225.1 m。工作面走向长819～826 m，倾斜长132～184 m，回采面积111 612 m2。

W1-108 工作面采用单一煤层一次采全高走向长壁后退式全部垮落法控制顶板的综合机械化采煤方法。W1-108 运顺、前三角点和W1-108 综采工作面切眼、回顺局部顶板为厚度在8～10 m 以上的砂砾岩坚硬顶板，依据W1-108 工作面具体的地质和开采技术条件设计预裂钻孔的参数，现场应用期间对顶板进行钻孔窥视。

2 上覆岩层特征分析

2.1 实见煤层顶板岩性、厚度，裂隙发育情况分析

煤层顶板为古河流冲刷后沉积形成，凹凸不平的小型沟壑较发育，局部顶板起伏较大，且断层附近裂隙发育，较破碎，局部有片帮现象。运、回顺沿1#煤层顶板施工，从W1-107 工作面回采期间的实见及周边钻孔资料分析，工作面顶板偶有一层0.05～0.4 m 的泥岩伪顶，发育范围不稳定。ZK11-2 钻孔直接顶为中砾岩及泥质粉砂岩，实见厚度1.99 m，基本顶砂砾岩厚度19.1 m；ZK136 钻孔直接顶为含砂砾岩，实见厚度5.1 m，基本顶砂砾岩厚度47.4 m;ZK137 直接顶为中砂岩，实见厚度13.6 m，基本顶为细砂岩、粉砂岩及中砂岩互层，厚度为16.85 m;ZK146 钻孔直接顶为泥岩，实见厚度19.10 m，基本顶为粘土质砾岩，厚度6.55 m；ZK155 钻孔无直接顶，基本顶为砂砾岩，厚度14.95 m。直接顶为砂砾岩及中砂岩时，一般较硬，回顺的附近直接顶为砂砾岩，呈黄色、泥质胶结，较松散易冒落。如无断层、裂隙、滑面等构造不易垮落，偶含少量水；为泥岩时，灰黑色，泥质胶结，一般较软，较易垮落。基本顶灰色或土黄色，砂砾状结构，块状构造，砾石成分以火山岩、变质岩成分为主。

W1-108 综采工作面从附近的ZK136、ZK137、ZK11-2 钻孔分析直接顶为中砾岩及泥质粉砂岩、含砂砾岩厚度在1.99～13.6 m；基本顶为砂砾岩、细砂岩、粉砂岩及中砾在1.685～47.4 m，大部顶板为复合层，有1-2 层顶煤，厚度0.3～0.8 m，由于运顺与W1-107 采空区留设5～6 m 煤柱，受W1-107 采空区采动影响，顶板较破碎，不需预裂；切眼及回顺顶板砂砾岩相对较厚，回采期间顶板不易冒落，易造成大面积空顶，引发生冒顶事故，该区间段需加密预裂钻孔，必要时采取强制放顶措施。

结论：回顺局部顶板为砂砾岩，需进行预裂，回采期间可根据顶板冒落情况及时增减预裂钻场预裂钻孔数量。

2.2 工作面顶板分析

为了加强工作面顶板管理，避免发生顶板事故，需要研究分析并最终了解掌握工作面顶板断裂破坏失稳的特征及规律。将已经测定的上覆各岩层的密度、厚度、弹性模量等物理及力学参数带入覆岩组合岩梁理论公式（公式（1））可以计算得到覆岩关键层（图1）。

图1 W1-108 工作面关键层示意

式中:q1（x）m——工作面项板第一层岩层承受的载荷；ri——顶板第i 层岩层的密度；Hi——顶板第i 层岩层的层厚；Ei——顶板第i 层岩层的弹性模量。

由计算结果我们可以知道，W1-108 综采工作面上覆岩层包含2 层坚硬岩层，分别是基本顶（亚关键层）和主关键层。

根据悬臂梁力学模型公式（公式（2））进行计算

式中：Lk——第k 层岩层的破断距离，（k=1，2，3，…，n）；Hk——岩层厚度；Tk——岩层的抗拉强度；q——上覆岩层对岩层的载荷。

可以得到W1-108 综采工作面上覆坚硬岩层的第一次破断距离和周期性破断距离（表1）。关键层的第一次破断距离大约为32.36～50.15 m，周期性破断距离大约为22.32～36.5 m。在W1-108 综采工作面开采期间，关键层破断距离较大，顶板悬顶面积超过正常可控范围，关键层第一次破断和周期性破断导致工作面第一次来压和周期性来压十分剧烈，这种情况是引发采煤工作面和上下端头矿压显现剧烈的主要原因，为了避免因此形成安全隐患，实现安全开采，需采取相应的措施措施来改善顶板的破裂、断落状态。

表1 W1-108 综采工作面上覆坚硬岩层破断距离

3 坚硬顶板超前深孔爆破弱化技术

3.1 理论分析

根据上文的计算分析结果可以确定，W1-108 综采工作面顶板属于难以正常随工作面推进及时垮落的坚硬岩层，顶板破断垮落时会显现出强烈的矿井压力和震动冲击，为了降低工作面矿压显现和震动冲击的强度，消除矿井安全隐患，塬林煤矿决定采用预裂顶板的方式在可控范围内提前破坏顶板，实现强制放顶。根据有关资料显示和专家意见，目前世界范围内井工开采煤炭行业井下工作面强制放顶技术主要有2种：一是注水预裂法，二是爆破预裂法。

第一种注水预裂法，实际就是向岩层中注入高压水，一方面岩层在水的侵泡下会变软，强度降低；另一方面高压水形成的压力会使变软的岩层涨裂，从而达到提前预裂顶板，进而将难以断裂、垮落的坚硬顶板弱化变得不在坚硬。但这种方法施工周期长，且对岩层有要求，不具有普适性。

第二种爆破预裂法，顾名思义，就是使用炸药等爆炸物对顶板进行爆破。通过控制爆破装药量和爆破深度、调整爆破孔距等手段将坚硬的顶板炸裂形成符合要求裂隙，破坏岩层的完整性，实现顶板预裂，达到顶板能随着工作面的不断推进及时断裂垮落的目的。目前，爆破使用的爆炸物不仅有炸药，还有液态二氧化碳。使用液态二氧化碳进行爆破爆成本太高，不具有普遍意义，且塬林煤矿是低瓦斯矿井，使用炸药爆破既经济又能满足需求。从工艺上进行区分，使用炸药爆破进行预裂有2 种工艺：一种是浅孔循环式爆破，另一种是深孔（炮孔深15 m 以上）预裂式爆破。从前文可知，W1-108 综采工作面顶板厚度大于15 m，应采用深孔预裂爆破，其优点是不影响工作面的正常生产，且较安全，效果也是最直接、明显，是国内目前常采用的强制放顶的方法。

因此，设计在W1-108 综采工作面超前回顺及三角点进行深孔预裂爆破，缩短顶板的破断距离，使顶板岩层在破断垮落时引发的周期性来压和震动震动冲击在可控范围内。顶板深孔预裂爆破钻孔直径不宜过大，既要考虑岩性，又要考虑爆破效果，还要安全可控。在达到预裂效果的同时，爆破不能损毁巷道，经过多次试验调整，最后结合W1-108 工作面现场爆破作业条件，设计预裂爆破孔的直径为7.5 cm。炸药在炮孔内引爆后，炮孔周围岩层由内向外形成3 个区域：破碎区、裂隙区和震动区。当炮孔间距合理时，相邻炮孔之间的裂隙区会相互联通，从而使预裂爆破区内的顶板出现规则的贯通裂隙，达到降低顶板强度的目的。实践证明，采用耦合装药方式进行预裂爆破效果要比不耦合装药方式好，其爆破产生的初始冲击力Pr根据爆破初始冲击力计算公式（3）进行计算为：30 209 MPa。

式中：ρ0——炸药的密度，为1.23×10 kg/m3；D——炸药的爆速，为4 350 m/s；db——炮孔直径，为7.5 cm；dc——炸药药卷直径，为7.5 cm；n——爆炸时爆生气体的应力增大倍数，取10。

当预裂爆破炮孔直径为7.5 cm 时，爆破后以炮孔为中心形成的圆形裂隙区半径R 根据爆破裂隙区半径计算公式（4）进行计算为：3.132 m。

式中：V——岩石泊松比，取0.2；σt——抗 拉 强 度 6.35 MPa；a——衰减指数1.5。

为了达到大面积破坏顶板完整性降低顶板强度，采用深孔爆破对坚硬顶板进行预裂，需要同时布置多个钻场同时起爆。W1-108 综采工作面超前地应力集中范围为30～50 m， 为避免工作面前方形成多度的应力集中和能量积聚，设计超前工作面15 m， 一次性对15～60 m 范围顶板进行预裂爆破。

3.2 深孔预裂爆破炮眼布置

（1） W1-108 综采工作面预裂钻场间距30 m布置，邻近切眼1、2#钻场间距15 m 布置；每个钻场布置5 个预裂钻孔，终孔位置均位于煤层顶板往上8 m，预裂后实际生产过程中根据顶板垮落情况，可适当减少或加密钻孔，当顶板加密预裂后，前三角点仍存在有冒落不充分、悬顶面积大的现象时，需采取强制放顶措施，确保回采后的采空区顶板及时冒落，安全回采。

（2） 回顺设计预裂钻场15 个，预裂孔73 个。钻孔总工程量1 393 m，总装药长度925 m，总装药量2 775 kg，封泥总长度468 m，导爆索总长度2 153 m，雷管146 枚。详见表2 回顺顶板预裂钻孔爆破参数。切眼设计预裂钻场2 个，预裂孔6 个。钻孔总工程量157 m，总装药长度104 m，总装药量312 kg，封泥总长度53 m，导爆索总长度234 m，雷管12 枚。详见表3 切眼预裂钻孔爆破参数。切眼补充钻孔6 个，工程量95 m，总装药长度68 m，总装药量204 kg，封泥总长度27 m，导爆索总长度146 m，雷管12 枚。

表2 回顺顶板预裂钻孔爆破参数

表3 切眼预裂钻孔爆破参数

4 深孔预裂爆破效果

为验证W1-108 工作面采用深孔爆破对顶板的预裂效果，对工作面顶板进行预裂爆破后，在回风顺槽的顶板中部布置窥视钻孔，钻孔直径为7.5 cm，长度为30 m， 统计钻孔不同深度条件下裂隙的数量，整理得到图2 所示的结果。

图2 超前工作面顶板裂隙数量统计结果

可以看出，顶板岩层内随着窥视深度的增大，裂隙数量逐渐减小，但20 m 范围内顶板裂隙发育较完全，超前工作面预裂钻孔爆破范围内裂隙发育较稳定并且坚硬顶板存在破碎与裂隙并存状态，由此可知顶板预裂爆破取得了较理想的效果。

结束语

据塬林煤矿煤层地质条件，理论分析及顶板窥视实见，并且根据W1-108 综采工作面回采情况，实际证明坚硬顶板深孔预裂爆破技术符合现场实际，对实际生产具有重要意义。深孔爆破后工作面第一次来压和周期性来压距离明显减小，能够减小采空区悬顶面积，能够避免采空区大面积垮落对生产活动造成的威胁，确保了工作面安全生产，对工作面及两顺矿压控制具有积极意义。