浅谈聚能切缝爆破工艺防治奥灰水技术研究

张 超

（枣庄矿业（集团）有限责任公司，山东 枣庄 277000）

滨湖煤矿21609 对拉上下面合茬时在F4 断层附近，上面过F4 断层，推采进度较慢，下面调采机尾，综合矿压、水压、底板破坏等因素叠加耦合影响，易造成F4 断层附近三角区裂隙活化，形成导水通道，发生水害。为此，本文以滨湖煤矿21609 对拉工作面为例进一步研究聚能切缝爆破技术，缩小顶板悬顶距离，降低矿压对底板扰动影响，确保工作面回采安全。

1 工程概况

1.1 工作面概况

21609 对拉工作面为16 煤层工作面，分为21609（上）工作面和21609（下）工作面。上面为正在回采的21609-2 工作面，采空区顶板随采随冒，下面为原21601 工作面，尚未生产（如图1）。21609（上）工作面走向长516～583 m，平均550 m，倾斜长195～97 m，面积95 304.2 m2；21609（下）工作面走向长583.6～554.2 m，平均568.9 m，倾斜长200～217 m，面积118 382.3 m2。21609 对拉工作面煤层厚度平均1.35 m，宽度308～402 m。

图1 21609 对拉工作面平面示意图

16 煤层顶板十下灰既是直接顶也是基本顶，具二重性，为稳定顶板。厚约4.5 m 的十下灰岩，硬度系数f=8～10，抗压强度126.8 MPa，属稳定顶板，硬度大不易冒落。煤层伪底为黏土岩，直接底为泥岩，基本底为细砂岩。根据16 煤以往开采经验，采煤工作面初次来压步距一般为45 m，周期来压步距为11.5 m，16 煤底板距奥灰顶界面约55 m。

上下面合茬附近靠近F4 断层，F4 断层（H=0～4 m ∠60°）在面内影响长度约为241 m，由运输巷向面内落差逐渐衰减，直至尖灭。根据断层揭露、探查、分析、治理情况及以往回采工作面过断层经验，该断层影响工作面开采期间的顶板、层位管理，对工作面影响较大。

1.2 聚能切缝爆破原理

充分利用岩体的抗拉强度远小于抗压强度的强度特征[1]，通过施工一定距离、深度的炮孔，进行聚能装药，使聚能管本身对爆轰力产生瞬时抑制和导向作用，并通过切缝提供瞬态卸压空间，使爆轰力在切缝处形成高能流，集中在巷道轮廓线切线方向上传导，使其沿轮廓线方向优先产生裂隙并定向扩展。爆破产生的聚能流沿聚能管凹槽方向释放，使产生的集中张拉应力作用顶板岩层形成定向预裂缝，切断顶板应力传递路径。

结合滨湖煤矿相关数据，得出切缝高度选取5.6 m，切缝角度选取20°，炮孔孔径选取447 mm，炮孔间距选取900 mm。

2 数值模拟分析

采用FLAC3D数值模拟软件[2]，对切顶卸压前后采场应力-变形-破坏演化规律进行模拟分析。

21609 对拉工作面开采过程中切顶卸压前后的塑性破坏区分布对比如图2，左图均为切顶前、右图均为切顶后。切顶卸压前，工作面开采0～200 m时，顶底板塑性破坏区整体呈“平拱形”，顶底板破坏高度随工作面推进逐渐增加；开采200 m 时顶板最大破坏高度达13 m，底板最大破坏深度约15 m；工作面开采300～400 m 过程中顶底板塑性破坏区范围都在扩大，顶板增大较快，底板相对缓慢；工作面推进400 m 时，顶板塑性破坏区整体呈“马鞍形”[3]，底板塑性破坏区继续扩大，工作面两帮最为明显，最大破坏高度达23 m；工作面推进500 m 时，顶底板塑性破坏区均发育至最大，顶板“马鞍形”更加明显，最大破坏高度达50 m，工作面两帮处最大破坏深度达25 m。说明切顶卸压前，对拉工作面开采对底板25 m 范围以内扰动明显，25 m以下扰动不明显。

图2 16 煤开采塑性区切片

切顶卸压后，塑性破坏区范围整体上较卸压前变小。顶板16 煤至十下灰之间的岩层全部垮落，充填至采空区。在工作面推进过程中，顶底板塑性破坏区范围逐渐变大。工作面推进500 m 时，顶底板塑性破坏区均发育至最大，顶板呈“马鞍形”，最大破坏高度达43 m，工作面底板破坏深度约为12 m，两帮处破坏深度最大可达16 m。说明切顶卸压后，21609 对拉工作面开采对底板16 m 范围以内扰动明显，对煤层底板16 m 以下范围内岩层基本无影响。由25 m 降至16 m，距离十四灰岩层由原来7 m 变为16 m，距离奥灰岩层由原来的30 m 变为39 m。切顶后，矿压集中效应减弱，底板岩层破坏深度明显减小，增加了安全开采系数[4]。

3 现场实验

21609 对拉工作面（上）材料巷、21609 对拉工作面运输巷、21609 对拉工作面（下）切眼及21609 对拉工作面（下）材料联络巷、21609 对拉工作面（下）切眼与21609 对拉工作面运输巷犄角分别布置切顶孔，具体参数如下：

3.1 21609 对拉工作面（上）材料巷

采用DCA-45 型切顶钻机施工切顶眼，在（上）材料巷邻近工作面侧施工切顶眼，钻孔深度为6000 mm，与铅垂线夹角为20°，距肩窝100 mm（允许误差±20 mm）；确保切顶眼直线性；钻头直径为42 mm，钻孔间距为900 mm，水平误差不大于100 mm；采用聚能管反向装药预裂爆破切顶[5]，为防止炮轰冲击波与超前支承压力产生叠加影响，顶板预裂孔距离工作面不少于10 m。随着工作面的每日推进幅度控制好预裂爆破进度，一次性装药一次性爆破，每次起爆5～20 个切顶眼。如图3。

图3 21609（上）材料巷切顶眼示意图（m）

3.2 21609 对拉工作面运输巷

采用风动锚杆钻机施工切顶眼。运输巷与（下）面切眼交叉点后7 m，切顶垂直于运输巷走向方向布置切顶眼，钻孔间距500 mm，两端切顶眼距帮部侧顶板肩窝不大于500 mm。切顶眼角度垂直于工作面顶板，与水平成90°夹角。切顶眼采用风动锚杆钻机，切顶眼深度为6000 mm，钻孔直径42 mm。根据顶板垮落情况，待切顶眼与切顶排平齐后进行预裂爆破，再施工下一组切顶眼，每组切顶排间距4～8 m。如图4。

3.3 21609 对拉工作面（下）切眼及21609 对拉工作面（下）材料联络巷

21609（下）工作面未回采前沿工作面倾向在煤壁侧布置切顶眼，切顶眼深度为6000 mm，与回采侧的煤壁铅垂线夹角为70°，确保断顶钻孔直线性，眼距1.5 m；切顶眼确保钻孔布置在一条直线上，形成一个切割平面，水平误差不大于100 mm。断顶钻孔直径42 mm；采用聚能管反向装药爆破断顶，一次性装药一次性爆破。如图5。

图5 21609 运输巷切顶眼示意图（m）

3.4 21609 对拉工作面（下）切眼与21609 对拉工作面运输巷犄角

采用风动锚杆钻机施工切顶眼。为减少21609对拉工作面（下）切眼与运输巷犄角压力集中，采用多孔预裂爆破对该区域进行切顶。切顶范围为21609 对拉工作面（下）切眼与运输巷犄角向后10 m 范围，顶板切顶眼间距1500 mm，切顶眼深度为6000 mm，与21609（下）工作面回采侧的煤壁铅垂线夹角为20°；切顶眼确保钻孔布置在一条直线上，形成一个切割平面，水平误差不大于100 mm。断顶钻孔直径42 mm；采用聚能管反向装药爆破断顶，一次性装药一次性爆破。

4 聚能切缝爆破效果分析

结合工作面2023 年1 月16 日底板微震与电法数据分析：1）共监测到底板微震事件13 次，其中底板事件发育深度：0～20 m 10 次事件，20～40 m 2次事件，40～60 m 1 次事件，关键层及以下0 次，最大深度43 m，未见明显异常；2）自然电位变化幅值在2.2～126.4 mV，未超过预警值400 mV，未见异常渗流电场；3）煤层底板100 m 范围内岩层视电阻率值整体较高，电阻率值均在20Ω·m 以上，减少了底板破坏深度，验证了切缝爆破效果较好。工作面推采15 m 后，老塘顶板全部垮落，并压实采空区，减少了超前压力对底板影响，降低了底板奥灰突水风险，为工作面安全开采提供了技术依据。

5 结论

在16 煤综采工作面中对坚硬顶板采用切顶预裂爆破工艺，加快工作面初采期间后部顶板冒落，降低矿压对工作面破坏深度，加上考虑冒落顶板自身重力减少奥灰对底板的压力[6]，从而降低奥灰出水的安全隐患，对坚硬顶板切顶预裂爆破工艺进行分析阐述，对下组煤带压开采的工作面有借鉴意义。