深部开采中沿空留巷坚硬顶板预裂爆破技术研究

李鹏飞

（山西潞安集团蒲县黑龙煤业有限公司 ，山西 蒲县 041200）

1 工程概况

某矿己14-31010工作面下进风巷为沿空留巷试验巷道，己14-31010工作面回采高度为1.8m，工作面的长度为150m，可推进长度为570m，采用综合机械化的采煤工艺，用全部垮落法进行顶板管理。己14-31010工作面所采煤层为己14煤层，均厚为0.5m，煤层直接顶为细砂岩，厚度在0～8m，基本顶为中粒砂岩，厚度为9～18m；直接底为均厚为2.8m砂质泥岩，基本底为均厚1.4m的细砂岩。由于需沿空留巷的试验巷道顶板为坚硬顶板，围岩应力环境为高附加应力，会严重影响后期留巷区域的结构稳定，故需对沿空巷道坚硬顶板进行处理。

2 预裂爆破后坚硬顶板结构分析

2.1 坚硬顶板破断结构的形成

预裂爆破时施工位置在超前工作面的一定位置处，通过爆破在钻孔间形成大量裂隙，让破碎岩石与裂隙形成贯通从而对爆破区域的顶板形成弱化作用，在工作面回采后顶板会在上覆岩层压力和自重应力的综合作用下沿着顶板弱化区域破断，预裂爆破后基本顶可能形成铰接结构或直接切落[1,2]，为达到充分卸压的目的，通过合理控制爆破参数能够让基本顶沿着爆破线直接切落到采空区。

2.2 预裂爆破形成切落结构的条件

由上述分析知爆破后基本顶破断形成两种结构，分别为铰接结构和直接切落，为达到对沿空巷道充分卸压，现想通过爆破使得块体B沿着爆破线切落，对于块体B切落时需满足的表达式，通过对铰接结构的几何条件和条件进行分析得出表达式，则块体B沿着爆破线切落的条件即为与铰接结构相反。

图1 铰接结构的几何模型

铰接结构几何条件：根据预裂爆破后会产生一定宽度的弱化的区域，用2R表示弱化区域的宽度，建立如图1所示几何关系模型，下面通过讨论分析关键块体B断裂后形成铰接结构的几何条件，图1中L为长度，h为坚硬顶板的厚度，m为煤层厚度，s为关键块体在运动过程中垂直下降时的位移。

关键块体B通过旋转接触到巷道底板E点，若块体B旋转后仍未能够与垮落块体接触便形不成铰接结构，用A、C表示铰接结构的铰接点，则在极限状态下形成铰接结构的几何关系为：

根据铰接结构的几何模型中关系有：

当满足式（3）时便能够保证块体之间相互接触，当A下沉量过大时会导致B块体直接垮落到采空区，另外在R较大时，会使得式（3）无法成立，块体无法接触，B块体形成切落结构垮落到采空区，故能够通过控制爆破参数扩大爆破弱化区域，使得关键块体切落到采空区，达到充分卸压目的。

铰接结构平衡条件：在结构块体几何参数满足式（3）后能够保证块体间相互接触，现讨论块体接触后的平衡条件，建立铰接模型如图2所示，图中FB为关键块体的上覆荷载及其自重，T为块体间的水平推力。

图2 铰接块体平衡模型

通过对铰接点A取距为0，能够得出水平推力和铰接点剪切力的表达式为：

当水平推力产生的摩擦阻力与剪切力相等时为极限平衡状态，铰接平衡条件为Q≤Ttanφ[3]，将式（4）带入铰接平衡条件有：

根据式（3）和（5）能够得出结构块体B形成切落结构的几何与平衡条件的表达式为：

3 预裂爆破技术方案与效果

3.1 预裂爆破技术方案

对沿空巷道坚硬顶板的预裂爆破技术主要包括两个方面：①超前工作面倾向深孔放顶爆破技术，②超前工作面走向小水平转角钻孔群切顶爆破技术。

3.1.1 超前倾向深孔放顶爆破技术

该技术就是在超前工作面的一定距离，先在顶板岩层中施工长钻孔，随后进行爆破作业，从而在顶板岩层形成人工弱化带，当工作面回采后，工作面采动裂隙与人工爆破裂隙会相互作用，能够改变沿空留巷顶板岩层的物理力学性质与岩层结构，从而达到改变工作面附近应力峰值，降低应力峰值，实现坚硬顶板的整体性控制。炮孔布置参数主要如下：

1）炮孔布置方式。炮孔布置方式主要有两种为单向钻孔法和双向钻孔法，在综合考虑施工组织安排上的问题，对己14-31010下进风巷采用单孔钻孔法进行放顶爆破作业，在工作面下风巷沿着煤层倾向对顶板岩层进行打孔，每一组爆破孔由1个老顶切断孔、2个端头切断孔和1个块度控制孔组成。

2）炮孔直径。另外采用大孔径炮孔能够取得较好的超前深孔预裂松动爆破效果，故该次施工时炮孔直径为75mm；

3）炮孔间距。综合考虑钻场布置情况与炮孔布置方式，选定炮孔的间距为35m，端头切断孔与基本顶切断孔之间成小组布置，组间上下间距为0.5m，块度控制孔距老顶的距离为2m；

4）炮孔水平转角。根据工作面的长度、顶板裂隙产状、钻机的性能等因素确定炮孔的水平转角[4]，综合以上因素确定端头断孔的水平转角设计为25°，工作面老顶切断孔转角设计为80°；

5）炮孔深度及末端高度。根据钻孔布置方式、孔底距巷道的水平距离及工作面长度有关[5]，同时在巷道与孔底之间留有足够长的隔离带来保证巷道不受爆破作业的影响。在采用单向钻孔法布置炮眼时，炮孔深度lb的计算表达式为：

式中：L为开采工作面的长度，l为孔底距巷道的水平距离，α为炮孔与巷道的夹角，β为炮孔与工作面的夹角。故根据上式结合钻孔参数能够得出端头切断孔炮孔深度为16mm，老顶切断炮孔深度为81mm，块度控制孔的深度为59m；在考虑到坚硬顶板的厚度为16mm，为充分切断坚硬顶板故将块度控制孔和老顶切断孔的末端高度设计为16m，端头切断孔末端设计高度为8m。

6）炮孔倾角。根据炮孔水平转角、末端高度及水平转角确定后，再结合煤层倾角能够计算得出炮孔倾角，计算表达式如下：

式中：d为炮孔在水平面上的投影长度，h为孔底的垂直高度；根据式（8）能够得出端头切断孔的仰角为39°，老顶切断炮孔的仰角为21°，块度控制孔的仰角为39°。

3.1.2 走向小水平转角钻孔群切顶爆破技术

在对坚硬顶板沿空留巷结构进行分析的基础上，提出采用走向小水平转角钻孔群切顶爆破技术对巷道顶板进行卸压，拟采用2组6个走向钻孔对顶板基本顶进行处理，为使基本顶在墙体外侧破断，从而调整坚硬顶板破断的结构位态，对留巷区域的围岩应力场进行优化，达到控制围岩变形的目的，具体爆破钻孔参数与布置方式如图3所示，走向钻孔切顶爆破参数如表1所示。

图3 走向切顶爆破孔钻孔布置图

表1 走向钻孔切顶爆破参数

故根据上述可知己14-31010工作面下进风巷坚硬顶板沿空留巷爆破总体钻孔布置方案如图4所示。

图4 沿空留巷坚硬顶板预裂爆破钻孔布置示意图

3.2 预裂爆破效果

在对顶板进行预裂爆破后通过对己14-31010工作面液压支架工作阻力进行持续观测，能够通过矿压观测得出工作面来压周期与来压步距，充分了解工作面的压力变化情况，将工作面液压支架的观测数据绘制成曲线如图5所示。

图5 工作面支架阻力变化曲线图

通过对图5工作面液压支架支护阻力进行分析能够看出在观测60天内，液压支架的阻力出现5个明显的波峰，分别为5月8日工作面推进120m的位置处，5月17日工作面推进144m的位置处，6月16日工作面推进196m的位置处及6月29日工作面推进226m的位置处，通过曲线中五个波峰的位置能够分析得出工作面的四次周期来压步距分别为24m、25m、27m和30m，故综上可知该工作面周期来压步距平均在20～30m，与未进行顶板预裂爆破时工作面的周期来压步距相比缩短了10m左右，另外在回采过程中液压支架的压力相应变小，未出现过压架现象，为工作面回采的正常进行提高了保障；在对顶板进行强制放顶后，矿压显现剧烈程度明显降低，有效的对沿空留巷区域的高应力进行了弱化，有效的保护了充填墙体稳定。

4 结 论

1）通过分析知基本顶爆破后会出现铰接和直接切落两种形式，并对铰接结构的平衡条件与几何条件分析，得出形成充分卸压的切落结构可通过增大爆破区半径实现，并给出形成切落结构的表达式。

2）针对己14-31010工作面实际情况选用倾向与走向相结合的超前深孔预裂爆破钻孔技术对己14-31010工作面下进风巷的坚硬顶板进行预裂爆破。

3）根据实测矿压数据能够得出进行预裂爆破后工作面的周期来压步距缩小10m，且工作面回采时矿压显现程度明显减小，有效的保护了沿空留巷充填墙的稳定性。