神州煤業(yè)初采前深孔預(yù)裂爆破頂板弱化技術(shù)研究

張崢嶸

(呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 呂梁 033000)

堅(jiān)硬頂板在開采過(guò)程中容易形成大面積懸頂，給工作面安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患[1-3]。為保證工作面安全生產(chǎn)，必須處理頂板巖體，以減小頂板懸露面積，防止或減弱大面積頂板來(lái)壓。國(guó)內(nèi)外針對(duì)爆破弱化堅(jiān)硬頂板的方法已開展了大量研究，主要的頂板處理方式有爆破弱化、水力致裂和靜態(tài)預(yù)裂等。爆破弱化主要有循環(huán)式淺孔放頂、步距式深孔爆破、地面深孔放頂和超前深孔預(yù)裂爆破4種方法。循環(huán)式淺孔放頂通過(guò)爆破破壞頂板完整性，形成矸石層，以緩和頂板垮落的沖擊力，但此方法對(duì)生產(chǎn)造成的影響比較嚴(yán)重[4-5]；步距式深孔爆破在頂板周期來(lái)壓前切斷頂板，以避免頂板大面積冒落[6-7]；地面深孔放頂通過(guò)從地面在采空區(qū)后方鉆孔爆破以切斷堅(jiān)硬頂板，避免大面積冒落[8-9]；超前深孔預(yù)裂松動(dòng)爆破通過(guò)超前鉆孔爆破，預(yù)先破壞頂板性質(zhì)，使其破碎，有效減小頂板冒落面積[10-12]。

上述爆破弱化堅(jiān)硬頂板理論已較為成熟，但現(xiàn)有研究成果中，針對(duì)工作面初采期間頂板垮落規(guī)律的研究尚有欠缺且應(yīng)用較少。在此以神州煤業(yè)8102工作面為背景，結(jié)合深孔預(yù)裂爆破基本理論，針對(duì)初采前切眼頂板深孔預(yù)裂爆破開展研究，進(jìn)行了合理的方案設(shè)計(jì)，并對(duì)該工作面初采期間堅(jiān)硬厚層頂板垮落形態(tài)的變化規(guī)律做了深入探討。

1 工程概況

1.1 工作面布置及頂?shù)装迩闆r

神州煤業(yè)下組煤8102工作面劃屬第一采區(qū)，屬于下組煤首采工作面，煤層平均厚度為1.33 m，工作面開切眼寬度為212 m。該工作面采用一次采全高綜采采煤工藝，采空區(qū)頂板管理方法為全部垮落法。下組煤 8102 工作面布置及井下位置，如圖 1 所示。

8#煤層位于太原組碎屑巖含煤段頂部，上距6#煤層20.60～37.07 m，平均28.70 m;埋深232.53～442.10 m，井田東部邊界附近較淺，一般小于250 m，中部300 m左右。頂板為L(zhǎng)1灰?guī)r，底部為泥巖、細(xì)粒砂巖、炭質(zhì)泥巖。根據(jù)神州煤業(yè)8102工作面開切眼附近的補(bǔ)5鉆孔綜合柱狀圖(圖2)可知，8#煤層頂板從下至上依次為厚度4.8 m的石灰?guī)r，0.9 m的泥巖，6.8 m的中粒砂巖，3.2 m的細(xì)粒砂巖，5.7 m的石灰?guī)r，預(yù)計(jì)沿開切眼走向各巖層的厚度變化不大。

圖2 8#煤層及其頂?shù)装逯鶢?/p>

神州煤業(yè)進(jìn)入下組煤開采后，將面臨不同的煤層賦存特征和圍巖條件，且8102工作面為下組煤的首采工作面，工作面頂板垮落特征與礦壓規(guī)律不明確，8#煤老頂石灰?guī)r致密堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙不發(fā)育，整體性較好，初采可能形成大面積懸頂、不易垮落、初次垮落步距大等頂板問(wèn)題。因此，在采前弱化8102工作面開切眼頂板，進(jìn)行初采前預(yù)裂，通過(guò)深孔預(yù)裂爆破，預(yù)先破壞頂板完整性,減小懸露面積,縮小初次垮落步距,防止或減弱大面積來(lái)壓隱患，對(duì)防治工作面上、下隅角瓦斯超限以及防止初采期間頂板大面積垮落時(shí)工作面瓦斯超限都有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

根據(jù)井田內(nèi)地表揭露及4#煤層采掘過(guò)程中揭露的地質(zhì)情況發(fā)現(xiàn)，井田內(nèi)褶曲寬緩，斷裂、陷落柱雖較發(fā)育，但斷層落差基本較小，對(duì)煤層的開采影響并不大，井田內(nèi)也未發(fā)現(xiàn)巖漿巖活動(dòng)。神州煤業(yè)井田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度屬于簡(jiǎn)單類型，預(yù)計(jì)在8102工作面采掘過(guò)程中不會(huì)遇到斷層和陷落柱。8102工作面地面水補(bǔ)給主要是大氣降水及地表水的滲入，工作面的直接充水含水層是太原組的三層石灰?guī)r含水層，平均厚度23 m，含水層連續(xù)性差，厚度穩(wěn)定，裂隙較發(fā)育，富水性弱。離石-中陽(yáng)向斜貫穿整個(gè)井田，在其他工作面的采掘過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)該向斜有導(dǎo)水現(xiàn)象。8102工作面開切眼上方有4#煤層采空區(qū)，其與8#煤層的平均間距為60 m，井田內(nèi)褶皺寬緩，斷裂、陷落柱雖較發(fā)育，但4#煤層揭露斷層落差基本較小，8#煤層地質(zhì)條件同4#煤層相近，所以，4#煤層與8#煤層揭露的斷層不會(huì)導(dǎo)通4#煤層采空積水。4#煤層采空積水對(duì)巷道掘進(jìn)基本沒(méi)有影響，但對(duì)工作面回采可能存在影響，因此在8102工作面初采頂板前，必須探明開切眼上方4#煤層采空區(qū)的積水情況并采取抽放措施，確保上方4#煤層采空區(qū)無(wú)積水、能夠安全開采后方可實(shí)施預(yù)裂工作。

1.3 工作面巷道布置及支護(hù)

8102工作面運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽、開切眼的斷面和支護(hù)形式如圖3所示。

(a)運(yùn)輸順槽

1)運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽。8102工作面運(yùn)輸順槽正常斷面尺寸為4.65 m×2.60 m，回風(fēng)順槽斷面尺寸為4.3 m×2.6 m，支護(hù)形式規(guī)格為：頂錨桿規(guī)格φ20 mm×2 000 mm，間排距1 000 mm×1 000 mm；錨索規(guī)格φ17.8 mm×6 000 mm，間排距2 000 mm×3 000 mm，采用2-1-2布置；頂錨桿使用8 mm×150 mm×150 mm的鐵托盤，錨索使用16 mm×250 mm×250 mm的鐵托盤；幫錨桿規(guī)格為φ18 mm×2 000 mm，間排距900 mm×1 000 mm，幫錨桿使用3 mm×250 mm×300 mm的W型托盤；支護(hù)時(shí)頂板加W型鋼帶，鋼帶規(guī)格為3 mm×100 mm×4 200 mm，鋼帶孔距為1 000 mm，兩幫掛金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)規(guī)格為φ4 mm×1 100 mm×2 200 mm。

2)開切眼。8102工作面切眼斷面尺寸為6.0 m×2.4 m，支護(hù)形式規(guī)格為頂錨桿規(guī)格φ20 mm×2 000 mm，間排距900 mm×900 mm；錨索規(guī)格φ17.8 mm×6 000 mm，間排距1 800 mm×1 800 mm，采用3-2-3布置；頂錨桿使用8 mm×150 mm×150 mm鐵托盤，錨索使用16 mm×250 mm×250 mm 鐵托盤；幫錨桿規(guī)格為φ18 mm× 2 000 mm，間排距900 mm×900 mm，幫錨桿使用3 mm×250 mm×300 mm的W型托盤；支護(hù)時(shí)頂板加W型鋼帶，鋼帶規(guī)格為3 mm×100 mm×5 600 mm，鋼帶孔距為900 mm，兩幫掛金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)規(guī)格為φ4 mm×1 000 mm×2 200 mm。

2 深孔預(yù)裂爆破理論分析

2.1 爆炸破壞機(jī)理

預(yù)裂爆破通過(guò)爆炸破壞堅(jiān)硬頂板的完整性。炸藥爆破時(shí)，煤巖體受到高壓沖擊，藥包周圍部分煤巖體受到強(qiáng)烈壓縮，溫度會(huì)大于3 000℃導(dǎo)致熔融，這部分巖體呈塑性流態(tài)形成空腔。爆炸能量隨沖擊波向四周傳播，爆炸氣體壓力和溫度快速下降，導(dǎo)致其周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)解除，引起巖體發(fā)生向心運(yùn)動(dòng)，將熔融狀巖體粉碎成細(xì)微顆粒，形成粉碎區(qū)[13]。當(dāng)沖擊波繼續(xù)傳播，進(jìn)入圈外時(shí)，巖體受到強(qiáng)烈的徑向壓縮而產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)，造成徑向裂縫和環(huán)向拉應(yīng)力場(chǎng)，并與粉碎區(qū)貫通形成破裂區(qū)，如圖4所示。

圖4 炮孔爆破后各區(qū)分布

2.2 條形(柱狀)藥包爆破作用區(qū)域分析

波動(dòng)力學(xué)分析表明，隨著沖擊波的傳播，爆炸能量、氣體壓力和溫度急劇下降，周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)迅速解除，粉碎區(qū)巖體消耗了大部分能量，導(dǎo)致沖擊波衰減很快。沖擊波的強(qiáng)烈壓縮導(dǎo)致粉碎區(qū)內(nèi)的巖體極度粉碎，可以假設(shè)在沖擊載荷作用下的巖體介質(zhì)為不可壓縮的理想流體，采用理想流體介質(zhì)模型，如果采用柱狀藥包不耦合裝藥，且不耦合系數(shù)較小時(shí)，相應(yīng)的粉碎區(qū)半徑Rc為[14]：

(1)

工程中，巖體的破壞取決于巖體的性質(zhì)和受力狀況。巖體呈拉壓混合的三向應(yīng)力狀態(tài)，而巖體抗拉強(qiáng)度明顯低于抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致爆破中的壓碎區(qū)是巖體受壓縮造成的，而裂隙區(qū)則是受拉破壞造成的。

巖體中任一點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度可按下式計(jì)算：

(2)

粉碎區(qū)與破裂區(qū)的分界面上，由式(2)變形為：

(3)

式中：σt為抗拉強(qiáng)度，MPa；σr為分界面上的徑向應(yīng)力，MPa；Rc為粉碎區(qū)半徑，m。

根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則，可得破裂區(qū)半徑Rp的計(jì)算公式：

(4)

由式(3)和式(4)可得不耦合裝藥條件下的破裂區(qū)半徑計(jì)算公式：

(5)

將神州煤業(yè)8#煤層頂板巖層的物理力學(xué)參數(shù)和3號(hào)乳化炸藥參數(shù)(炸藥的密度1 194.265 kg/m3，炸藥爆速2 800 m/s，不耦合系數(shù)1.25)代入到上述公式中，通過(guò)計(jì)算可得破碎區(qū)半徑約為0.6 m，裂隙區(qū)半徑約為3.0 m。

2.3 頂板處理高度分析

根據(jù)礦山壓力與巖層控制[15]的相關(guān)理論，結(jié)合神州煤業(yè)8#煤層地質(zhì)資料，可判斷頂板巖層中4.8 m厚的石灰?guī)r為主關(guān)鍵層(老頂)，控制著自身及上覆巖層的變形與移動(dòng)。但結(jié)合圖2可知，8102工作面老頂之上還存在厚度較大的中粒砂巖和細(xì)粒砂巖。根據(jù)已有的成功經(jīng)驗(yàn)，頂板預(yù)裂時(shí)老頂之上的中粒砂巖層和細(xì)粒砂巖層的完整性也應(yīng)適當(dāng)破壞，故預(yù)裂垂直方向需深入到更上方的細(xì)粒砂巖層。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)估，頂板裂隙帶一般應(yīng)為12～20倍采高，才可保證頂板礦壓有效釋放。因此預(yù)裂高度至少為12倍采高，結(jié)合鉆孔柱狀圖，綜合確定8102工作面開切眼頂板深孔預(yù)裂處理的垂直高度為15.7 m，即預(yù)裂范圍從下至上依次為厚度4.8 m的石灰?guī)r，0.9 m的泥巖，6.8 m的中粒砂巖，3.2 m的細(xì)粒砂巖。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

3.1 預(yù)裂爆破方案

8102工作面開切眼頂板預(yù)裂炮孔布置如圖5所示。開切眼內(nèi)共施工預(yù)裂炮孔24個(gè)，施工炮眼總長(zhǎng)753.6 m，裝藥總長(zhǎng)度432 m，炸藥用量1 296 kg，封泥長(zhǎng)度133.2 m。炮孔仰角(30±2)°，沿開切眼軸向布置，在炮孔距開切眼外幫1.0～1.5 m處的頂板打設(shè)。放炮使用BF-200型起爆器，分組裝藥、分次爆破。一茬炮聯(lián)線采用“局部并聯(lián)，總體串聯(lián)”的方式進(jìn)行，每次起爆一組炮孔，起爆順序從回風(fēng)順槽向膠帶運(yùn)輸順槽方向：1-24號(hào)鉆孔依次分6組進(jìn)行，每組布置4個(gè)鉆孔，其中3個(gè)鉆孔為裝填炸藥的爆破孔，1個(gè)為備用孔。

圖5 8102工作面開切眼頂板預(yù)裂炮孔布置圖

3.2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

3.2.1液壓支架載荷變化規(guī)律

在初采前爆破預(yù)裂前后，收集并記錄得到8102工作面液壓支架載荷數(shù)據(jù)，繪制爆破前后液壓支架載荷對(duì)比曲線，如圖6所示。由圖可知，放炮后，該工作面92%的液壓支架載荷值均有不同幅度的升高，且液壓支架載荷值增幅較大，最大升高值為7.8 MPa，支架載荷的增大說(shuō)明了超前深孔預(yù)裂爆破有效地破壞了開切眼上方頂板巖層的完整性，從而導(dǎo)致支架載荷增大。8102工作面回采開始后，工作面推進(jìn)距離及采空區(qū)頂板垮落現(xiàn)場(chǎng)情況表明：工作面回采推進(jìn)8 m時(shí)，第1#-93#支架后方頂板開始垮落；工作面回采推進(jìn)14.4 m時(shí)，除機(jī)尾的7架液壓支架后方頂板未垮落外，工作面后方其余范圍的頂板已全部垮落；工作面回采推進(jìn)25 m時(shí)，除機(jī)尾的2架液壓支架后方頂板未垮落外，工作面后方其余范圍頂板已全部垮落。因此，根據(jù)上述頂板垮落情況，判斷達(dá)到了初采前深孔預(yù)裂爆破處理堅(jiān)硬頂板的目的。

圖6 初采前爆破前后液壓支架載荷對(duì)比曲線圖

3.2.2工作面頂板垮落規(guī)律

由初采期收集的工作面液壓支架載荷數(shù)據(jù)，繪制8102工作面初采期間礦壓曲面圖，如圖7所示。其中，橫坐標(biāo)為工作面支架編號(hào)，縱坐標(biāo)為工作面推進(jìn)距離。由圖7分析可知，當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到8 m時(shí)，工作面兩端距機(jī)頭、機(jī)尾40 m處的位置向中部35 m范圍內(nèi)頂板開始來(lái)壓，即60#-90#液壓支架數(shù)據(jù)增大，支架壓力在22～41 MPa之間。由于8102工作面為首采工作面，因此回采過(guò)程中機(jī)頭和機(jī)尾部位上方的頂板不易垮落。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)可知8102工作面回采推進(jìn)約8 m時(shí)，60#-90#支架范圍的采空區(qū)頂板垮落，當(dāng)工作面機(jī)頭位置推進(jìn)至18 m，機(jī)尾位置推進(jìn)14 m，除機(jī)尾約20 m范圍外，采空區(qū)頂板全部垮落。

圖7 8102 綜采工作面初采期間礦壓曲面圖

3.2.3工作面礦壓顯現(xiàn)分布規(guī)律

收集8102工作面正常回采階段(2021年7月)的液壓支架載荷數(shù)據(jù)與工作面推進(jìn)度情況，繪制得到如圖8所示的工作面液壓支架礦壓顯現(xiàn)三維分布圖及曲面圖。根據(jù)圖8可知，8102工作面初次來(lái)壓步距在8～15 m之間，初次來(lái)壓時(shí)整面支架工作阻力在12～24 MPa之間，上部支架的工作阻力在12～22 MPa之間，中部支架的工作阻力在17～24 MPa之間，下部支架的工作阻力在15～23 MPa之間。由此可見(jiàn),工作面中部液壓支架的壓力略大于上下部液壓支架的壓力，同時(shí)也進(jìn)一步說(shuō)明工作面兩端的垮落程度低于工作面中部。因此8102工作面初次來(lái)壓步距在8～15 m之間。結(jié)合工作面推進(jìn)度得出，8102工作面正常回采階段的周期來(lái)壓步距為40.8 m，與現(xiàn)場(chǎng)日常生產(chǎn)過(guò)程中的宏觀判斷(35 m左右)相近。根據(jù)上述頂板垮落情況和工作面初次來(lái)壓步距可知，初采前深孔預(yù)裂爆破達(dá)到了處理堅(jiān)硬頂板的目的。

(a)2021年7月液壓支架載荷數(shù)據(jù)三維分布圖

4 結(jié)論

結(jié)合深孔預(yù)裂爆破基本理論，對(duì)神州煤業(yè)8102工作面初采前切眼頂板深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行了分析，合理確定其爆破破碎區(qū)半徑約為0.6 m，裂隙區(qū)半徑約為3.0 m，深孔預(yù)裂處理的垂直高度為15.7 m，并進(jìn)行了預(yù)裂爆破方案設(shè)計(jì)和炮孔布置。通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)可知，8102工作面開切眼頂板在實(shí)施深孔預(yù)裂爆破后，工作面92%的液壓支架載荷顯著升高，最大升高值為7.8 MPa；初次來(lái)壓時(shí)整面支架工作阻力在12～24 MPa之間，8102工作面推進(jìn)約8 m時(shí)，工作面中部頂板開始垮落，在推進(jìn)至18 m時(shí)，機(jī)頭、機(jī)尾處頂板基本全部垮落；老頂初次來(lái)壓步距均保持在8～15 m，正常回采階段的周期來(lái)壓步距為40.8 m。由此可見(jiàn)，初采前深孔預(yù)裂爆破達(dá)到了預(yù)先弱化堅(jiān)硬厚層老頂?shù)哪康?，工作面初采前頂板預(yù)裂可以保證該工作面初采期間的安全生產(chǎn)。