雁崖矿8305工作面切巷坚硬顶板密集钻孔联合深孔爆破预裂技术

朱晓庆

（晋能控股煤业集团雁崖煤业大同有限公司 山西大同037003）

坚硬顶板是指硬度高、厚度大、完整性好、裂隙不发育或发育程度较小的岩层[1]。煤矿开采中坚硬顶板滞后垮落，导致采空区悬板面积大，加剧了工作面煤体的承载强度，大面积悬板的突然断裂对工作面装备甚至人员生命安全存在更大威胁[2]。因此，坚硬顶板综采面回采过程中十分重视顶板的治理工作。目前，常用的顶板预裂方法有水力压裂、深孔爆破等[3-4]。水力压裂借助静态高压水的压裂和水楔劈裂作用，以及高压动力水源的持续供给，可以取得较长的裂缝扩展效果；钻眼爆破利用炸药爆炸瞬间的冲击强动载及后续的爆生气体膨胀做功，实现孔壁围岩的体积压裂，空间造缝能力强，裂缝扩展不受地应力影响[5]。

雁崖煤矿8305工作面切巷内提前稳装了液压支架，支架后部致裂作业空间有限。采用水力压裂方法，一则大型装备深入不了支架尾部空间，长距离高压管线沿程损耗大，且存在一定安全风险；二则切巷顶板致裂以取得平面裂缝效果最佳，单靠孔内的静态高压水压裂难以取得定向切缝效果，配以相应的轴向切槽工艺，又增加了工序操作繁杂程度。为此，结合工作面煤层生产技术条件，充分发挥现有装备优势，设计了密集钻孔联合深孔爆破的切巷顶板预裂方案，实现了坚硬厚层顶板的平面定向预裂，取得了较好的技术经济效益。

1 工程概况

大同煤矿集团有限责任公司雁崖煤矿8305工作面是2#煤层三盘区的首采面。东北邻近盘区边界，东南邻近8306工作面，西南以三盘区大巷为界，西北至二盘区与四盘区共同盘区边界。采用一次采全高综合机械化采煤工艺，直接垮落法管理采空区顶板。盖山厚度在462 m～518 m，平均490 m，煤层平均厚度3.3 m，平均倾角2°，结构简单，可采走向长度1 400 m，工作面倾向长度300 m。煤层顶底板以砂质岩性赋存为主，岩性坚硬，结构相对完整。工作面顶底板柱状图，如图1所示。

8305工作面基本顶平均厚度6.3 m，为防止工作面回采过程中厚硬顶板滞后断裂对采场矿压造成较大的影响，工作面初始采动前需要对切巷顶板进行预裂处理。

2 密集钻孔联合深孔爆破参数设计

2.1 密集钻孔参数确定

（1）钻孔直径主要取决于当前的打钻装备。设计初衷是为了实现现有打钻装备的最大化利用，少增加顶板预裂成本。结合工作面架后作业空间有限条件，只能采取一般的锚杆钻机进行密集钻孔，钻孔直径为42 mm。

（2）钻孔深度取决于顶板预裂高度。根据采空区冒落矸石充填采空区原理，确定工作面切顶高度为煤层采厚/岩石碎胀系数，采空区矸石碎胀系数取值0.3，据此得到钻孔深度为11 m。

（3）孔间距需根据钻孔周边应力分布进行确定。由弹性理论可知，圆孔周边3～5倍半径范围为应力强扰动区[6]。孔径42 mm的钻孔周边应力扰动范围在60 mm～100 mm，据此将相邻密集钻孔间距设置为200 mm。

（4）工作面切巷内架后作业空间有限，钻机允许摆动角度小，实际作业过程中钻机施工角度设置为90°，垂直顶板进行钻孔。

2.2 深孔爆破参数确定

深孔爆破参数主要包括：炮孔直径，炮孔深度，炮孔角度，炮孔间距，单孔装药量。

（1）炮孔直径：三级煤矿许用水胶炸药卷直径为35 mm，配合直径48 mm的安装管辅助装药，加上管外定位块的富余空间，设计炮孔直径为65 mm，此时不耦合装药系数为1.3。

（2）炮孔深度、角度：与密集钻孔深度、角度设计原理类似，主要取决于顶板预裂的高度和钻孔现场施工条件，将炮孔深度设置为11 m，炮孔角度为90°，垂直顶板钻设。

（3）炮孔间距：根据煤矿现场爆破经验，炮孔间距一般为炮孔直径的7～12倍。据此设计的炮孔间距不会超过1.0 m。但是，该结论是以相邻炮孔裂缝贯穿为前提的。这里采取的深孔爆破是密集钻孔的辅助工艺，以爆破震动弱化为主。考虑密集钻孔的导向作用，以及尽量减少大孔径钻孔打钻工程量，参考应力波的扰动范围，综合确定实验炮孔间距为6 m。

（4）单孔装药量：致裂目标层为工作面基本顶岩层，平均厚度6.3 m。深孔爆破条件下，装药深度越大，钻孔夹持作用越强，致裂效果越不显著。鉴于含砾砂岩顶板相对完整，基本顶厚度范围内采用轴向耦合装药方式，装药长度设计为6 m。直径35mm的三级煤矿许用水胶炸药延米质量为1 kg。因此，单孔装药量确定为6 kg。爆破参数，见表1。

表1 切巷深孔爆破参数

3 切巷顶板致裂效果

3.1 孔内窥视观察

采用钻孔窥视仪对密集钻孔的变形破坏及裂隙发育情况进行观察。切巷炮孔爆破后，密集钻孔窥视方案及窥视结果，如图2所示。

图2 密集钻孔窥视方案及结果

根据窥视得到的密集钻孔变形破坏情况，在密集钻孔的导向作用下，单个爆破孔的强动载扰动范围在1.6 m～2.2 m，相邻炮孔的扰动范围合计3.2 m～4.4 m，炮孔间距6 m。在后续顶板压力作用下，受两侧炮孔的扰动及密集钻孔间的导向影响，剩余1.6 m～2.8 m的顶板钻孔连线区间容易平面贯穿。

3.2 切巷顶板垮落状态

切巷顶板的垮落状态是坚硬顶板预裂效果的最直观反映。工作面自切巷位置推进8 m～10 m时，已见采空区中部位置煤层顶板的顺利垮落；当工作面推进至40 m位置时，采空区顶板趋于完全垮落状态，辅以相应的巷道顶板爆破切顶，工作面端头顶板也顺利垮落，消除了坚硬顶板工作面端头悬板现象。采空区垮落矸石在架后充实采空区空间，解决了坚硬顶板采空区大面积悬板及其诱发的采场剧烈矿压显现难题。工程实践中采集的工作面架后顶板垮落前后状态，如图3所示。

图3 采空区顶板垮落前后情况

4 结论

（1）针对切眼内顶板架后控制及沿空留巷的不同切顶卸压条件及需求，确定密集钻孔联合深孔爆破预裂分区治理方法，弱化了厚硬岩层的完整度，减小了顶板悬跨尺寸。

（2）切巷炮孔爆破致裂影响范围在1.6 m～2.2 m，配合密集钻孔间的导向作用，6 m炮孔间距可以取得较好的顶板平面切缝效果；工作面推采后的采空区顶板垮落状态良好。