深孔爆破在坚硬顶板沿空留巷中的设计及应用

刘文玺

（汾西矿业集团曙光煤矿 山西 孝义 032300）

伴随着煤炭资源采掘工作的持续进行，许多矿井赋存条件较好的优势资源逐渐枯竭，开始面临向深部开采或向井田边角、孤岛区域开采，这就造成采掘工作面布置及相应的采掘工作难度增大。沿空留巷基于其技术优势在我国各大矿区得到广泛应用。然而，在坚硬顶板条件下，工作面回采后会在空巷上方形成大面积悬顶，悬顶未垮落时会造成应力集中，大面积悬顶突然垮落更会造成动压灾害及冲击破坏，使沿空留巷的技术优势得不得发挥。因此，在坚硬顶板条件下进行沿空留巷，可采用技术手段对顶板实施强制放顶，从而达到超前卸压的目的[1-4]。本文即针对山西焦煤汾西矿业曙光煤矿沿空留巷时所面临的坚硬顶板问题，对顶板实施深孔爆破强制放顶，并对卸压效果进行评价分析。

1 工程概况

工程地点为曙光煤矿1226工作面运输巷，留巷长度为1 562 m。1226综采工作面井下位于一采区西翼，东临集中轨道巷，西至一采区边界，南为尚未开采的1224综采工作面，北为尚未开采的1228综采工作面。1226工作面所采煤层属于二叠系下统山西组2#煤，煤层厚度平均为2.85 m，工作面沿顶底板割煤。1226综采工作面平均埋深介于496 m～597 m之间。工作面采掘期间表现出明显的高地应力特征，且煤层直接顶为6 m厚的粉砂岩，老顶为5 m厚的细砂岩，属典型的坚硬顶板。煤层顶底板情况如图1所示：

图1 1226综采工作面煤层综合柱状图（1:100）

2 深孔爆破强制放顶卸压机理分析

沿空留巷时会沿采空区施工一道充填墙体，工作面回采之后，工作面两侧的顶板岩石出现破断，直接顶随采随冒，落入采空区，老顶发生破断，破断后的岩块发生回转并下沉，并形成岩块A、岩块B、岩块C的组合结构，沿空留巷整体的围岩结构模型如图2所示。岩块B对于沿空留巷围岩稳定性至关重要，如果岩块B保持稳定状态持续回转下沉，会与岩块A与C形成铰接承载结构，成为上覆岩层的承载层，其承担的载荷继续向下传递，形成应力集中区，而沿空留巷位于岩块B下方，显然会承受较大的载荷，巷道难以维护。

图2 沿空留巷围岩结构模型

而在沿空留巷上方顶板内使用深孔爆破，对岩块B实施强制放顶，爆破产生的应力波使岩块B产生裂隙，呈碎裂状态，连续的深孔爆破则可使岩块B的裂隙贯通，形成目标预裂线，顶板会沿预裂线位置产生拉破坏或剪切破坏，使厚层顶板发生垮落，降低悬顶的长度和范围，使沿空留巷围岩承受的载荷大大降低，有利于巷道围岩控制，起到保护沿空留巷的效果[5-8]。

3 深孔爆破方案及参数制定

3.1 施工位置及工程量

施工位置：1226工作面运输巷H1点前15 m至1226运巷切眼，共计1 562 m。1226运巷切顶高度可以分为A、B两个区。其中A区总共1 042 m，切顶高度10 m；B区总共550 m，切顶高度11 m。预计工程量，顶板预裂切缝爆破钻孔3 125个，其中A区10 m深钻孔2 024个，B区11 m深钻孔1 101个。

3.2 钻孔参数

按照设计要求，顶板预裂爆破切缝孔施工使用CMS1-1200/22（A型）型顶板预裂爆破施工钻机进行施工。爆破钻孔参数为：钻孔与煤壁帮间距150 mm，切缝孔间距初步设计为500 mm，深度10 000 mm/11 000 mm，与垂直方向夹角为15°，朝向煤壁帮施工。

3.3 爆破参数

按照设计要求，顶板预裂切缝爆破采用专利化聚能拉张切缝爆破方法，在施工完的爆破钻孔中安装BTC-1500型聚能管，外径42 mm，内径36.5 mm，管长1 500 mm，每个钻孔内安装聚能管，其中10 m（5根×1.5 m+1根×0.5 m）、11 m（6根×1.5 m）。聚能管捅到孔底，封泥长度2 m。炮孔封泥封孔前，调整聚能管切缝方向与切顶线一致，调整完毕后方可封泥。首先根据方案设计进行单孔试验，确定合理的装药量和封泥长度，再进行间隔爆破，观察两相邻装药孔间空孔内裂隙情况。如两相邻装药孔间空孔裂隙未达到裂隙率标准要求，再进行一次连续爆破试验，最终确定一次爆破孔数以及爆破方式等。现场试验时，聚能管安装于爆破孔内，每孔聚能管数量以及装药方式（图3）根据现场试验情况具体调整，聚能管中全部采用空气柱。聚能管内一次串联起爆，爆破孔口采用炮泥封孔，封孔长度2 m。切缝孔爆破试验参数如图3所示，定向预裂爆破装药结构如图4所示，具体的爆破方案如表1、表2所示。

表2 B区（孔深11 m）爆破试验方案

图3 切缝孔爆破参数试验方案及参数示意图

图4 定向预裂爆破装药结构示意图

表1 A区（孔深10 m）爆破试验方案

4 应用及结语

按照既定方案对沿空留巷顶板实施超前深孔爆破，第一次爆破时间为工作面推进100 m之后，通过对工作面液压支架工作阻力观测对比发现，实施顶板深孔爆破后液压支架表显工作阻力有明显的下降趋势，工作面来压强度有较明显缓和；对于沿空留巷的巷道围岩也进行观测及对比，未采用强制放顶时巷道变形严重，而对巷道顶板实施深孔爆破后，再对巷道施以恒阻大变形锚索补强支护、充填墙体加固等，巷道整体稳定性得到显著提升，巷道变形得到有效控制。

沿空留巷经历巷道掘进、工作面回采、留巷施工等几个阶段，巷道围岩整体变形处于可控状态，尤其是该巷道在为临近的1228工作面继续服务时，仅局部巷道因顶板离层值过大而进行了1次巷道修复施工，巷道在整个二次服务阶段顶底板移近量、两帮移近量等参数值均得到有效控制，有效保障了1228工作面的快速推采及安全生产，达到了沿空留巷围岩控制的目的和要求。