3119 综放工作面坚硬顶板深孔爆破技术研究

张俊义

（潞安化工集团慈林山煤业公司夏店煤矿，山西 长治 046299）

1 工程概况

慈林山煤业有限公司夏店煤矿主采的3#煤层埋深354.1～539.4 m，煤层倾角2°～9°，平均倾角为4°，煤层厚度6.8～7.6 m，平均厚度7.24 m，煤层赋存稳定，可采指数为1。如表1 所示，3#煤层上方覆岩依次为均厚1.07 m 的泥岩及均厚14.41 m 的石灰岩，下方岩层依次为均厚0.27 m 的泥岩及均厚5.27 m 的砂质泥岩。

3#煤层采用放顶煤进行回采，而3#煤层上方有一层均厚14.41 m 的石灰岩，不仅厚度大，且较为坚硬，完整性较好，在工作面回采后不易垮落，易形成大面积悬顶从而引发强矿压事故，严重威胁了矿方的安全生产[1-4]。因此，提出采用深孔爆破的方法对工作面厚硬顶板岩层进行预裂爆破，迫使石灰岩层在工作面回采后及时垮落。

2 爆破方案设计

2.1 坚硬顶板应力分布特征

为制定合理的爆破方案，需了解工作面回采过程中顶板岩层的应力分布情况。借助3DEC 数值模拟软件对顶板岩层应力分布特征进行分析研究。以3119 工作面为工程背景建立数值模型，模型尺寸为长×宽×高=1000 m×10 m×378 m，岩层力学参数见表1，采用摩尔-库伦力学模型模拟工作面回采过程中裂隙发育及顶板岩层破坏情况。工作面回采过程中，顶板上覆岩层垂直位移、应力及能量特征如图1。

表1 3#煤层顶底板岩性及力学参数

图1 工作面回采过程中顶板岩层变形特征

如图1（a）所示，当3119 工作面回采100 m时，采场上覆坚硬石灰岩初次垮落，此时顶板岩层垂直应力和能量密度如图1（b）。当顶板石灰岩垮落时，采空区垮落顶板岩层垂直应力及能量密度减小而两侧巷帮煤体上覆顶板岩层垂直应力和能量密度增大，在超前工作面21 m 位置时采场顶板岩层垂直应力和能量密度达到最大值，最大值分别为17.7 MPa 和56.6 kJ/m3，垂直应力和能量密度集中系数分别为1.5 和13.8，垂直应力和能量影响区间为超前工作面46～55 m。如图1（c）、（d），工作面回采过程中，超前工作面顶板岩层垂直应力范围为15.8～24.1 MPa，能量密度范围为46.8～75.2 kJ/m3，当坚硬石灰岩层未垮落时，超前工作面顶板垂直应力和能量密度数值较大，集中系数分别在1.5～2.0 和13.4～18.3 范围内，超前工作面影响区域为34～69 m。

2.2 深孔爆破方案

通过分析可知，顶板岩层应力和能量积聚区域在超前工作面34～69 m 范围内。综合考虑3119 工作面地质条件及施工设备情况，对工作面前方50 m区域内的坚硬石灰岩顶板进行深孔预裂爆破，爆破高度以切断采场上方石灰岩为准。深孔爆破布置如图2，在回采巷道及工艺巷沿工作面走向方向每隔10 m 布置一组爆破孔。爆破孔参数见表2。

表2 爆破孔参数

图2 爆破孔布置图（m）

3 现场试验

按照前述设计方案，在3119 工作面进行现场试验。为验证深孔爆破效果，对顶板岩层垮落情况进行定期观测，对工作面回采过程中液压支架工作阻力变化情况进行现场监测，如图3。

如图3 所示，不同位置的液压支架工作阻力变化曲线走向相似，20#、50#、60#、90#液压支架平均工作阻力在26.5 MPa 左右。监测数据显示，在2 月12 日—2 月14 日期间，液压支架工作阻力明显增大，此时采场上覆坚硬石灰岩层大面积垮落，导致工作面液压支架工作阻力在这期间明显增大。通过现场观测，在2 月12 日—2 月14 日期间，当工作面推进46 m 左右时，工作面上方顶板石灰岩岩层即开始初次垮落，后期随着工作面推进，上覆顶板岩层周期性垮落引起工作面周期来压。现场监测结果表明周期来压步距约为20 m，与邻近工作面未进行深部爆破相比，悬顶面积明显减小，深孔爆破对于迫使工作面顶板坚硬岩层及时垮落，减小顶板岩层悬顶面积效果良好，有利于巷道围岩稳定，对于工作面安全开采起到积极的影响作用。

图3 工作面液压支架工作阻力变化曲线

4 结论

针对夏店煤矿3#煤层厚度大，上方坚硬顶板岩层厚度大不易垮落的问题，通过理论分析及数值模拟的方法，确定了工作面前方34～69 m 范围内是垂直应力及能量集中区域，提出了在工作面前方50 m采用深孔爆破处理顶板岩层，在上顺槽、下顺槽及工艺巷分别布置爆破孔，共布置1#～8#爆破孔，其中1#、4#、5#、8#爆破孔深度为16 m，与竖直方向夹角为15°，2#、3#、6#、7#爆破孔深度为21 m，与竖直方向夹角为45°。通过在3119 工作面进行现场试验，深孔爆破后，工作面推进46 m 左右时，工作面上方石灰岩初次垮落，顶板岩层悬顶面积明显减小，有利于回采过程中巷道围岩稳定。