15101 工作面堅(jiān)硬頂板預(yù)裂弱化技術(shù)研究

郭建明

（山西潞安化工集團(tuán)左權(quán)佳瑞煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600）

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)左權(quán)佳瑞煤業(yè)有限公司15101 工作面井下位于一采區(qū)，工作面傾斜長(zhǎng)452～464 m，走向長(zhǎng)度為150 m。工作面開(kāi)采15#煤層，煤層平均6.62 m。工作面頂?shù)装鍘r層特征如圖1。15101工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法，采高3.0±0.1 m，放煤高度3.33 m，循環(huán)進(jìn)度0.8 m，一采一放。根據(jù)工作面頂?shù)装鍘r層特征可知，煤層較為致密，節(jié)理裂隙不發(fā)育，工作面基本頂屬于堅(jiān)硬頂板，為防止堅(jiān)硬頂板回采期間懸頂面積過(guò)大，提升頂煤回收率，進(jìn)行工作面堅(jiān)硬頂板預(yù)裂弱化技術(shù)研究。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r層特征圖

2 頂板深孔預(yù)裂技術(shù)

堅(jiān)硬頂板巖層在工作面回采后，由于其自身承載能力較強(qiáng)，難以垮落，工作面開(kāi)采過(guò)程中存在著頂板懸頂過(guò)長(zhǎng)的特征，必須改變影響堅(jiān)硬頂板難垮落的因素。目前針對(duì)堅(jiān)硬頂板最常用的處理措施為采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，通過(guò)爆破的方式提升頂板巖層中裂隙的發(fā)育程度，進(jìn)而使得頂板巖層在礦壓作用下更易于垮落。深孔預(yù)裂爆破方案中設(shè)計(jì)的主要參數(shù)包括炮孔直徑、深度、間距及封孔長(zhǎng)度、方式等[1-3]。本文主要對(duì)炮孔間距、炮孔直徑、頂板處理高度、裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析。

（1）炮孔間距。根據(jù)爆破相關(guān)的理論研究可知，當(dāng)炸藥采用不耦合裝藥時(shí)，壓碎圈半徑Rc和裂隙區(qū)半徑Rp的表達(dá)式分別為[4]：

式中：σcd、σtd分別為巖體的單軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和單軸動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度；ρ0為炸藥的密度；Dv為炸藥爆速；lc為裝藥軸向系數(shù)，取lc=1；η為爆轟產(chǎn)物的膨脹絕熱指數(shù)，取3；le為裝藥水平系數(shù)；μd為煤巖體動(dòng)態(tài)泊松比；n為炸藥爆炸產(chǎn)物膨脹碰撞炮孔壁時(shí)的壓力增大系數(shù)，取10；a為載荷傳播衰減指數(shù)；K為裝藥徑向不耦合系數(shù)，K=db/dc，db、dc分別為炮孔半徑和藥包半徑，mm；rb為炮孔半徑m。

根據(jù)工作面地質(zhì)條件，代入式（1），計(jì)算得出15101 工作面破碎區(qū)半徑為485.6～497.5 mm，裂隙區(qū)半徑為3 762.5～4 903.4 mm。綜合上述分析確定炮孔間距應(yīng)小于裂隙區(qū)直徑（即2倍裂隙區(qū)半徑）。

（2）炮孔直徑。預(yù)裂爆破鉆孔直徑主要由鉆孔周?chē)簬r體力學(xué)參數(shù)、鉆機(jī)能力、炸藥的性能、封孔材料及長(zhǎng)度等因素決定[5]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，確定深孔預(yù)裂爆破炮孔直徑一般為65～90 mm。

（3）頂板處理高度?；诠ぷ髅骓敯鍘r層特征，綜合考慮頂煤、砂質(zhì)泥巖、泥巖和石灰?guī)r層的厚度，同時(shí)考慮到裂隙區(qū)域影響，初步確定開(kāi)切眼頂板處理高度13.5 m，端頭最大垂直高度15.5 m。

（4）裝藥結(jié)構(gòu)。目前在現(xiàn)有深孔預(yù)裂爆破方案的裝藥結(jié)構(gòu)中，常用的裝藥結(jié)構(gòu)有連續(xù)裝藥、不耦合裝藥和連續(xù)耦合裝藥等。根據(jù)15101 工作面的地質(zhì)條件，為充分保障深孔預(yù)裂方案的安全實(shí)施，防止出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象，在每個(gè)爆破鉆孔內(nèi)采用兩根安全導(dǎo)爆索，同時(shí)配備兩個(gè)煤礦許用毫秒延期電雷管，以安全實(shí)現(xiàn)炸藥的引爆[6]。雷管間的連線方式采用“局部并聯(lián)，總體串聯(lián)”，具體如圖2。

圖2 雷管連線示意圖

3 堅(jiān)硬頂板預(yù)裂方案及效果

3.1 頂板預(yù)裂方案

根據(jù)15101 工作面具體的地質(zhì)條件，結(jié)合頂板深孔預(yù)裂技術(shù)，確定深孔爆破孔徑定為75 mm，封泥長(zhǎng)度為炮孔長(zhǎng)度的20%～30%，徑向裝藥不耦合系數(shù)為1.25。工作面共施工炮孔27 個(gè)，施工炮眼總長(zhǎng)591.1 m。具體深孔爆破孔的布置形式如下：

（1）開(kāi)切眼爆破炮孔布置。開(kāi)切眼共布置21個(gè)炮孔，炮孔均距開(kāi)切眼外幫0.5～1.2 m 開(kāi)孔。炮孔布置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工作面開(kāi)切眼炮孔布置參數(shù)表

炮孔編號(hào)炮孔長(zhǎng)度/m仰角/（°）孔徑/mm計(jì)算裝藥長(zhǎng)度/m計(jì)算裝藥量/kg計(jì)算封泥長(zhǎng)度/m裝藥卷數(shù)/個(gè)4 20.12 35 75 13.50 40.50 6.62 27 5 22.72 36 75 14.50 43.50 8.22 29 6 23.43 35 75 15.00 45.00 8.43 30 7 22.79 36 75 14.50 43.50 8.29 29 8 27.81 29 75 18.00 54.00 9.81 36 9 25.07 33 75 16.00 48.00 9.07 32 10 24.61 33 75 16.00 48.00 8.61 32 11 27.55 29 75 18.00 54.00 9.55 36 12 23.31 35 75 15.00 45.00 8.31 30 13 21.31 39 75 14.00 42.00 7.31 28 14 23.81 35 75 15.50 46.50 8.31 31 15 22.57 37 75 14.50 43.50 8.07 29 16 21.49 39 75 14.00 42.00 7.49 28 17 23.35 35 75 15.00 45.00 8.36 30 18 19.41 44 75 12.50 37.50 6.91 25 19 16.99 53 75 11.00 33.00 5.99 22 20 17.13 61 75 11.50 34.50 5.63 23 21 16.37 66 75 11.00 33.00 5.37 22

具體15101 工作面開(kāi)切眼布置形式如圖3。

圖3 15101 工作面開(kāi)切眼炮孔布置示意圖

（2）順槽炮破孔布置

軌道順槽炮孔2 個(gè)（用軌A、軌B 表示）。其中：軌A、軌B 炮孔在軌順內(nèi)幫布置，孔口均距切眼內(nèi)幫7 m；軌A 孔口距順槽頂板0 m，軌B 孔口距順槽頂板1 m。膠帶順槽炮孔4 個(gè)，分別用1～2和A～B 進(jìn)行編號(hào)。其中：膠1、膠2 孔口距切眼內(nèi)幫的距離分別為7.5 m、10.5 m；膠A、膠B 鉆孔距切眼內(nèi)幫7 m；膠A 和膠B 鉆孔距巷道頂板的距離分別為0 m 和1 m。具體工作面順槽炮孔參數(shù)與裝藥量見(jiàn)表2。

表2 工作面回采順槽炮孔參數(shù)及裝藥量參數(shù)表

根據(jù)炮孔設(shè)計(jì)進(jìn)行打孔，起爆藥卷、炮棍、裝藥結(jié)構(gòu)如圖4。工作面割煤1～2 刀后進(jìn)行炮孔裝藥、聯(lián)線和爆破，采用分組裝藥、分次爆破。

圖4 裝藥設(shè)計(jì)圖

3.2 效果分析

15101 工作面頂板深孔炮孔爆破后，43#～46#支架上方的頂煤崩裂，50#支架上方局部頂煤垮落，可見(jiàn)到矸石，其余部分未見(jiàn)頂煤垮落。隨著工作面推進(jìn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到21 m 時(shí)，直接頂垮落；當(dāng)工作面平均推進(jìn)到37 m 時(shí)，支架工作阻力增大，煤壁開(kāi)始出現(xiàn)局部片幫，即表明此時(shí)為基本頂?shù)某醮慰迓?，垮落步距?7 m；當(dāng)工作面推進(jìn)39 m，通過(guò)分析液壓支架工作阻力可知，基本頂垮落基本完成。具體來(lái)壓時(shí)間及現(xiàn)象見(jiàn)表3。

表3 15101 工作面爆破后頂板來(lái)壓情況

15101 工作面深孔預(yù)裂爆破方案實(shí)施后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)頂板垮落數(shù)據(jù)，將其與鄰近工作面進(jìn)行對(duì)比分析，得出工作面預(yù)裂后基本頂平均垮落步距縮小了近10 m 左右，且工作面初采期間懸頂面積明顯減小，工作面回采期間未出現(xiàn)大面積頂板垮落帶來(lái)的安全隱患。

4 結(jié)論

根據(jù)15101 工作面頂板巖層的特征，通過(guò)分析頂板深孔預(yù)裂技術(shù)，分別進(jìn)行炮孔間距、炮孔直徑、頂板處理高度、裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，基于工作面的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板的預(yù)裂方案中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。根據(jù)工作面頂板深孔預(yù)裂爆破后的數(shù)據(jù)分析可知，頂板平均垮落步距縮小了10 m 左右，懸頂面積明顯減小，為工作面的安全回采提供了保障。