深孔预裂爆破技术在综采面初次放顶中的应用

胡 滨，梁小兴，王有发，蔚文忠，杨清泉

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.陕西省何家塔煤矿，陕西 神木 719315)



深孔预裂爆破技术在综采面初次放顶中的应用

胡 滨1，梁小兴2，王有发2，蔚文忠2，杨清泉2

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.陕西省何家塔煤矿，陕西 神木 719315)

为解决坚硬顶板在回采工作面初采时的技术难题，采用深孔预裂爆破技术进行工作面初次放顶的工业性试验。试验结果表明：深孔预裂爆破技术强制爆落的煤岩块基本可以充满支架后方的采空区，改变了顶板力学结构，有效减弱顶板初次来压时的动载冲击作用，避免飓风的形成，为类似条件下的煤层顶板控制提供了参考。

深孔预裂爆破；初次放顶；坚硬难垮顶板

顶板灾害是煤矿五大灾害之一，对巷道掘进、工作面回采具有很大影响，由于赋存在煤层上方的坚硬难垮岩层具有厚度大、强度高、节理裂隙构造不发育、整体性强等特点，在工作面回采过程中，通常大面积悬露，短期内不易自然垮落，而一旦垮落往往表现为一次垮落面积大、动压显现强烈、易形成飓风等现象，同时垮落的矸石极易把采空区的CH4，CO等有毒有害气体冲出，容易引发重特大安全事故，此外当煤岩体具有冲击倾向性时，还容易诱发冲击地压灾害，极易造成人员伤亡和设备损坏事故。

我国煤矿以井工开采为主，煤层赋存条件复杂多变，约有1/3的煤层顶板属于坚硬难垮顶板，主要分布在山西、内蒙、山东、新疆等矿区，比较典型的有大同矿区2号、3号、11号煤层顶板，山西晋城矿区的15号煤层顶板等，自建国以来仅大同矿务局就发生大面积顶板来压事故40余起，严重危害煤矿的安全生产[1-3]。我国从上世纪50年代开始研究其控制技术，取得了一系列进展[3-17]，可简单概括为两种不同的观点和途径：其一通过采空区充填、煤柱支撑等采煤方法的改进维持顶板稳定不冒，安全采出煤炭。这种方法直接成本较低，但煤炭资源损失量大，资源采出率低，且仍存在大面积来压的威胁；其二通过技术手段及先进设备和工艺主动破坏顶板的整体完整性，防止或者减弱大面积的顶板来压，最为典型的是在我国山西大同矿区进行的“坚硬顶板条件下综合机械化开采”科技攻关项目[5-6]，深入研究了强制爆破放顶与注水弱化坚硬顶板两种坚硬顶板处理工艺，形成了以爆破为主，注水软化为辅的方法体系，有力推动了我国坚硬难垮顶板控制理论与技术的发展。

1 国内外研究现状

爆破弱化坚硬顶板在国内外应用比较广泛，最早是由前苏联[6]在顿巴斯东部矿区采用超前松动爆破技术降低基本顶周期来压强度，改善工作面顶板状况，保证了正常回采。随后波兰、印度学者[6]开发出浅孔爆破与深孔爆破相结合的办法降低了基本顶初次来压和周期来压步距，降低了来压强度，改善了支架受力状况。我国从20世纪50年代开始研究坚硬顶板控制技术，王金安等[7]模拟分析采用了人工强制放顶和不采用人工强制放顶的顶板应力变化情况，研究了不同开采方法的围岩破坏区域和应力分布状态。赵先春、宋占有等[8-9]通过对炮孔布置参数的合理选择取得超前预爆破控制坚硬顶板试验的成功。周登辉、伍永平等[10-11]借助于物理相似材料实验和三维数值模拟分析研究了深孔预爆破弱化坚硬顶板时的顶板变形破坏规律，提出了“非等长多炮孔、非均匀大药量、高层位低震动”的坚硬顶板超前预爆破弱化方法。徐刚、刘全明、李春睿等[12-13]认为不耦合装药系数对深孔爆破弱化坚硬顶板的效果有直接的影响。张学亮等[14]分析了炮孔长度、炮孔间距、封孔长度、钻孔直径、装药结构对深孔爆破效果的影响。总的来说，深孔预裂爆破技术对煤层地质条件、顶板岩性适应性强，工程周期短，见效快，可以有效减小顶板来压步距并降低来压强度，消除顶板大面积来压产生的危害，且施工过程和工作面的正常生产无相互干扰，是治理坚硬顶板的行之有效的方法。

基于以上背景，本文选择深孔预裂爆破技术在何家塔煤矿进行工作面初次放顶工业性试验，为同类条件下的煤层顶板控制提供参考。

2 工程概况

何家塔煤矿主采煤层为5-2煤，煤层平均厚度3.0m，倾角1～5°，属于近水平煤层，煤层节理裂隙不发育，结构简单，水文地质条件属简单类型，为孔隙～裂隙充水矿床，煤层含水、导水性较强，煤层中赋存瓦斯含量较低，属于低瓦斯矿井。煤层上部赋存有一层厚度0.10～0.30m的炭质泥岩伪顶；直接顶为中等稳定的中粗粒砂岩，零星分布有泥岩，厚度0.84～14.28m；基本顶以强度、厚度均较大的细砂岩为主，稳定性较好；直接底为强度较低的砂质泥岩、泥岩为主，厚度为0.65～7.5m。采用现场原岩应力测量法[15]测得水平应力明显大于垂直应力，整个矿区以构造应力场为主。

3 井下工业性试验

3.1 深孔预裂爆破方案设计

何家塔煤矿煤层顶板属于比较坚硬顶板，采用综合机械化后退式开采，每天推进度可达10～12m，为降低工作面初次来压强度，选择50103工作面切眼实施深孔预裂爆破技术进行强制放顶。为使爆落煤岩块充分充填架后方采空区，须确定合理的钻孔长度，影响因素主要有工作面顶板厚度、岩石物理力学性质、钻机能力、煤矿导爆索单卷长度等，其中顶板厚度应优先考虑，常用经验公式：

H = M/(Kp-1)

(1)

式中，H为有效放顶深度(垂直顶板方向)，m；M为工作面割煤高度，m；Kp为岩石碎胀系数。

切眼设计断面为矩形，长245m，宽7.5m，高3.2m，采用锚网索联合支护。取岩石碎胀系数为1.4，为保证冒落顶板矸石能完全充填采空区，计算出有效放顶深度约为8m。为便于施工，设计钻孔长度为12m，仰角45°，有效放顶深度为8.5m，水平投影长度8.5m。整个切眼设计宽度为7.5m，从运输巷中心线处开始布置炮眼，炮眼布置中心线距采空区侧煤帮3m，按一双(对眼)、两单的方式分组布置，每组炮眼4个，两对眼间距600mm，对称分布在中心线两侧，其余炮眼间距10m，以此类推向回风方向布置8组炮眼，第9组(最后一组)设计为3个炮眼，在切眼245m长度范围内进行深孔预裂爆破放顶，共计布置35个钻孔。工作面切眼深孔预裂爆破的钻孔布置如图1所示。

图1 切眼顶板深孔预裂爆破钻孔布置示意

在工作面设备安装前进行切眼内预裂爆破钻孔的施工，炮眼直径95mm，要求方位角必须与切眼中线平行或稍偏向采空区一侧，工作面推进6.4m、支架进入工作面煤壁后进行强制爆破落顶作业，要求机头、机尾超前拉架，支架必须给足初撑力做到接顶严密，超前支护符合要求。

3.2 炮眼装药结构及参数设计

考虑粗、中粒砂岩厚层坚硬顶板的力学强度和预裂爆破效果，选用高威力的二级煤矿许用乳化炸药。雷管选用煤矿毫秒延期电雷管，起爆方式采用延期电雷管+导爆索配合起爆，双导爆索装到眼孔底部，用2个毫秒雷管引爆导爆索，导爆索引爆PVC管内的炸药，平均每孔装药28kg，炮眼装药长度约为10m，剩余长度用黄泥筒、黄泥卷封孔，孔口用木楔子打紧，同时将导爆索从沟槽引出。采用串联方式分组联线，联线用母线加长，一次起爆2组炮眼，从机尾一侧开始向机头方向连线放炮，放炮员在新鲜风流侧连线放炮，炮烟随着回风风流流经的巷道不许有人，为保证爆破作业安全，要求警戒和放炮安全距离不小于300m。

3.3 强制爆破放顶效果分析

在工作面推进6.4m、工作面支架进入回采煤壁后开始装药，依据设计方案进行预裂爆破放顶。爆落煤岩块基本充满支架后方的采空区，采空区顶板在推进方向上由两端固定梁变为悬臂梁结构。在工作面推进至约52m位置时，工作面基本顶初次来压，液压支架工作阻力急剧上升，约1/3液压支架立柱安全阀开启卸压。由于初次放顶爆落矸石基本充满切眼采空区，随着采面推移后期直接顶岩石随采随冒及时充填了回采空间，有效减弱了基本顶初次来压时的动载冲击作用，避免了飓风的形成，未对作业人员及工作面电气设备造成破坏影响，保证了初次来压前后工作面的安全生产。表明深孔预裂爆破技术可以有效减弱基本顶来压时的冲击载荷，但是爆破易产生大量有毒有害气体，必须制定专项安全技术措施确保技术方案的实施。

4 结 论

(1)坚硬难垮顶板具有初次垮落步距大、矿压显现强烈等特点，对工作面生产具有严重威胁，可以通过采取各种技术措施来破坏顶板完整性，防止或者减弱大面积的顶板来压。

(2)工作面支架进入回采煤壁后进行强制放顶的爆落煤岩块基本充满架后采空区，改变了顶板力学结构，直接顶岩石随工作面推进及时冒落充填了回采空间，工作面推进至约52m位置时基本顶初次来压，但强度明显减弱，动载冲击作用得到极大缓解。

(3)超前深孔预裂爆破技术对煤层地质条件、顶板岩性的适应性强，但安全性较差，易产生大量有毒有害气体，必须坚持“一炮三检”和“三人连锁放炮制度”，对于高瓦斯矿井还应采取防止瓦斯或煤尘爆炸的专项安全技术措施。

[1]陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[2]史元伟，宁 宇，魏景云.采煤工作面围岩控制原理和技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[3]王 开，康天合，李海涛，等.坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28(11)：2320-2327.

[4]吴兆华.淮南潘三煤矿坚硬顶板深孔预裂爆破参数研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2013.

[5]冯彦军，康红普.定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验[J].岩石力学与工程学报，2012，31(6)：1148-1155.

[6]冯彦军.煤矿坚硬难垮顶板水力压裂裂缝扩展机理研究及应用[D].北京：煤炭科学研究总院，2012.

[7]王金安，李大钟，尚新春.采空区坚硬顶板流变破断力学分析[J].北京科技大学学报，2011，33(2)：142-148.

[8]赵先春，吴甲春.超前预爆破控制坚硬顶板研究试验[J].煤炭科学技术，1993(11)：21-23.

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[10]周登辉，伍永平，解盘石.大倾角坚硬顶板深孔超前预爆破研究与应用[J].西安科技大学学报，2009(5)：510-513.

[11]伍永平，潘 洁，解盘石，等.大倾角煤层坚硬顶板预裂弱化的数值分析[J].西安科技大学学报， 2010，30(1)：7-13.

[12]徐 刚，刘全明.深孔爆破弱化坚硬顶板不耦合系数研究[J].煤矿开采，2009，14(1)：20-21.

[13]李春睿，康立军，齐庆新，等.深孔爆破数值模拟及其在煤矿顶板弱化中的应用[J].煤炭学报，2009，34(12)：1632-1636.

[14]张学亮，徐 刚，张会军，等.深孔爆破弱化坚硬顶板影响因素分析及应用[J].中国矿业，2010，19(4)：58-60.

[15]吴柏仁，张 晓，王有发，等.水压致裂地应力测量技术在何家塔煤矿应用[J].陕西煤炭，2014(4)：93-94.

[责任编辑：林 健]

First Roof Caving in Fully Mechanized Coal Face with Deep Hole Presplitting Blasting

(1.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Shaanxi Province Hejiata Coal Mine，Shenmu 719315，China)

In order to solve the difficulty problem of harden roof during the first mining of working face，the industrial experiment of first roof caving of working face with deep hole presplitting blasting was processed，the experimental results showed that the goaf behind supports could be filled fully with coal and rock blocks that appeared after deep hole presplitting blasting，then the mechanical structural of roof was changed，dynamic loading impacting was decreased effectively of first pressure of roof,hurricane in mine was stopped，it references for roof control in similar situation.

deep hole presplitting blasting；first roof caving；harden and difficult caving roof

2016-05-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.015

国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目：基于煤矿井下综合应力场的煤岩动力灾害预测与控制基础研究(U1261211)

胡 滨(1985-)，男，山东宁阳人，硕士，工程师，主要从事岩石力学与巷道支护技术等方面的研究工作。

胡 滨，梁小兴，王有发，等.深孔预裂爆破技术在综采面初次放顶中的应用[J].煤矿开采，2016，21(6)：54-56.

TD327.2 3

A

1006-6225(2016)06-0054-03