崔晉飛

(山西蘭花科創(chuàng) 玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048000)

一般把直接存在于煤層上方或較薄的直接頂上面，含有較厚且堅硬的砂巖、礫巖或石灰?guī)r層的頂板稱為堅硬頂板[1-3]，其結(jié)構(gòu)致密、整體性強、節(jié)理裂隙構(gòu)造不發(fā)育、自穩(wěn)力強，能大面積懸露在采空區(qū)而不垮落，易引發(fā)頂板災害，對礦井生產(chǎn)的安全高效性造成嚴重影響。處理該類頂板懸落的主要技術(shù)手段是預裂爆破技術(shù)[4-6]。本文以玉溪煤礦1301工作面為研究背景，針對頂板可能存在不易垮落、初次垮落步距大、易形成大面積懸頂?shù)葐栴}，采取了預裂爆破技術(shù)，通過計算確定了相關(guān)技術(shù)參數(shù)，有效避免了工作面漏風嚴重、瓦斯超限、工作面煤壁片幫等強礦壓現(xiàn)象。

1 工程概況

1301工作面是玉溪煤礦的首采工作面，其頂板垮落特征與礦壓規(guī)律不明確，主采的3號煤老頂中具有較厚的砂巖，致密堅硬，初次回采過程中頂板可能存在不易垮落、初次垮落步距大、易形成大面積懸頂?shù)葐栴}，這將會導致工作面漏風嚴重、瓦斯超限、工作面煤壁片幫等強礦壓現(xiàn)象，對設(shè)備和人員造成極大的威脅。

因此，在回采前對1301工作面開切眼頂板進行弱化處理至關(guān)重要，針對該工作面的煤巖層賦存和生產(chǎn)技術(shù)條件，進行初采前頂板預裂研究。

2 頂?shù)装逄卣?/h2>

通過對該礦1301工作面輔助運輸巷第十二聯(lián)絡(luò)巷頂板巖層結(jié)構(gòu)鉆孔窺視可知，主采煤層頂板從下至上依次為泥巖(直接頂)，平均厚度2.4 m；中砂巖(老頂)，厚5.3 m；泥巖，厚7.4 m。預計沿開切眼走向各巖層的厚度變化不大，該工作面主采煤層及頂?shù)装逯鶢钊鐖D1所示。

圖1 煤層頂?shù)装逯鶢?/p>

3 預裂爆破基本理論

一般情況下，炸藥爆破時，工業(yè)炸藥爆震面上產(chǎn)生的超高壓沖擊煤巖體，其附近的一小部分煤巖體由于受到強烈壓縮，溫度會超過3 000 ℃，這部分巖體呈熔融狀且具有流動性而形成空腔。沖擊波不斷傳播，能量不斷釋放，氣體壓力和溫度驟降，周圍的熔融狀態(tài)的煤巖體的應力不斷消除，逐漸粉碎成細微顆粒，便形成了壓碎圈[7-8]。徑向方向上的裂縫和壓碎圈貫通后，由于藥室體積的擴大爆炸產(chǎn)物的壓力而降低，但仍可鉆進裂縫，使裂縫進一步變大，產(chǎn)生拉應力場，形成裂隙圈。炮孔各區(qū)分布區(qū)域見圖2。

圖2 炮孔爆破后各區(qū)分布

4 頂板預裂爆破主要設(shè)計參數(shù)

4.1 壓碎圈與裂隙區(qū)半徑

1) 壓碎圈半徑。受到?jīng)_擊波的強烈作用，壓碎圈內(nèi)的巖體變得極度粉碎，把在沖擊載荷作用下的巖體看成不可壓縮的理想流體，對于柱狀藥包，采用理想流體介質(zhì)模型，如果采用不耦合裝藥且系數(shù)較小時，則相應的壓碎圈半徑為：

(1)

其中：

2) 裂隙區(qū)半徑。巖體中任意一點的應力強度為：

(2)

在壓碎區(qū)與裂隙區(qū)兩者的分界面上：

(3)

式中：σR為兩者分界面上的徑向應力，MPa。σr為煤巖體中的徑向應力，MPa。

根據(jù)強度準則，當巖體出現(xiàn)裂隙時其區(qū)域內(nèi)半徑為：

(4)

在不耦合裝藥條件下，裂隙區(qū)半徑為：

(5)

式中：σtd為巖體的單軸動態(tài)抗拉強度，MPa。

把頂板巖層參數(shù)和3號乳化炸藥參數(shù)代入計算得破碎區(qū)半徑約為0.6 m，裂隙區(qū)半徑約為3.1 m。

4.2 頂板處理高度

根據(jù)礦壓控制的相關(guān)理論及已有的地質(zhì)資料，判斷頂板巖層中5.3 m厚的中粒砂巖為關(guān)鍵層(老頂)，控制著自身及上覆巖層的變形與移動。為使1301工作面頂板在回采初期及時垮落，放頂切斷的目標巖層為頂板關(guān)鍵層(老頂)，即5.3 m厚的中粒砂巖。因此將老頂巖層初步確定為該工作面開切眼頂板弱化的主要對象。

結(jié)合圖1可知，老頂上方泥巖的完整性應適當破壞，設(shè)計深孔預裂垂直深度需深入到老頂之上的泥巖內(nèi)3 m，因此頂板垂直處理高度約為10.7 m。考慮巖層厚度局部可能發(fā)生變化，綜合確定頂板深孔預裂處理的垂直高度為11 m。

4.3 主要技術(shù)參數(shù)

預裂爆破主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

5 頂板預裂爆破技術(shù)的應用

5.1 炮孔布置

在1301工作面開切眼內(nèi)施工預裂炮孔20個，編號為1～20，炮眼總長440 m；裝藥總長度217.5 m，炸藥用量650 kg；封泥長度112.5 m。沿開切眼軸向布置炮孔，仰角為(30±2)°，在炮孔距開切眼外幫1.0～1.5 m處頂板打眼。炮眼布置方式如圖3所示。

圖3 1301工作面開切眼頂板預裂炮孔布置(m)

5.2 炮孔爆破

根據(jù)設(shè)計進行打孔、裝藥、聯(lián)線和爆破。采用“局部并聯(lián)，總體串聯(lián)”的方式進行聯(lián)線，每次起爆一組炮孔(3個)。

在開切眼內(nèi)從回風巷向膠帶巷方向進行起爆：分5組依次進行，第一組：1～4號，第二組：5～8號，第三組：9～12號，第四組：13～16號，第五組：17～20號。每組布置4個鉆孔，其中3個鉆孔為裝填炸藥的爆破孔；由于鉆孔打出后可能出現(xiàn)局部塌孔無法裝藥的情況，因此另一個鉆孔內(nèi)不裝填炸藥，為備用孔。

6 結(jié) 語

通過對1301首采工作面開切眼頂板采取預裂爆破技術(shù)后，堅硬頂板得到弱化，有效避免了工作面漏風嚴重、瓦斯超限、工作面煤壁片幫等強礦壓現(xiàn)象，保障了工作面安全高效生產(chǎn)。預裂爆破技術(shù)是處理堅硬頂板不易垮落、初次垮落步距大、易形成大面積懸頂?shù)葐栴}的有效手段，對類似條件的工作面提供了參考。