朱瑞巖

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

我國煤礦以井下開采為主，面臨著瓦斯、煤塵、水、火和頂板等五大自然災(zāi)害，無論是從發(fā)生次數(shù)還是死亡人數(shù)方面看，頂板事故都居煤礦各類事故之首，是影響煤礦安全開采主要因素之一[1-2]。我國有45%的煤炭資源屬于厚煤層，一般采用大采高或綜放開采工藝。采用大采高開采工藝時(shí)，一次性采出煤炭資源多，采空范圍大，尤其當(dāng)工作面回采初期，上覆頂板來壓步距較大，來壓劇烈，易誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害[3-4]。針對(duì)大采高工作面回采初期頂板控制難題，常采用卸壓方式對(duì)頂板巖層進(jìn)行弱化，最常見的方法為深孔預(yù)裂爆破[5-6]。

1 工程概況

玉溪煤礦1301工作面位于一盤區(qū)南部盤區(qū)巷東側(cè)，開采3#煤層，煤層厚度5.8～6.2 m，平均厚度為6.1 m，煤層底板標(biāo)高+315～+355 m，地面標(biāo)高+867.8～+1 031.3 m。工作面北側(cè)為規(guī)劃1303工作面，南側(cè)和東側(cè)為保安煤柱，西側(cè)為盤區(qū)巷。開采煤層為近水平煤層，煤層傾角為0°～10°，平均3°?；卷敒榛?深灰色中厚層狀中粒砂巖，均厚5.3 m，具大型交錯(cuò)層理，脈狀層理，波狀層理；直接頂為黑-灰黑色中-厚層狀砂質(zhì)泥巖，均厚2.4 m，具緩波狀層理，水平紋理；偽底為灰黑色砂質(zhì)泥巖，均厚0.50 m，含煤紋，具滑面；直接底為深灰色中厚層狀粉砂巖，均厚3.5 m，具脈狀層理，波狀層理；基本底為深灰色泥巖，均厚7.55 m，厚層狀，含煤紋。玉溪煤礦1301工作面采用大采高一次采全高開采工藝，工作面平均采高6.1 m，工作面切眼長度200 m。

2 深孔預(yù)裂爆破弱化頂板技術(shù)

2.1 基本原理

大采高開采一次性采空范圍大，工作面回采初期，頂板巖層聚積大量的彈性能，頂板巖層斷裂后，彈性能突然釋放，頂板來壓劇烈，易誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。通過在頂板巖層內(nèi)按一定的間距施工深部鉆孔，并進(jìn)行提前爆破，炸藥起爆后，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，沖擊波形成壓應(yīng)力波，使鉆孔圍巖瞬間壓縮破碎，形成裂隙，并在壓應(yīng)力波的作用下裂隙二次擴(kuò)展，相鄰爆破鉆孔間形成的裂隙相互耦合、貫穿，頂板巖層積聚的彈性能得到釋放，從而實(shí)現(xiàn)頂板弱化的效果。大量工程案例表明，深孔預(yù)裂爆破技術(shù)可以預(yù)裂煤層上方頂板巖層，提前釋放頂板內(nèi)部彈性能，破壞頂板的完整性，實(shí)現(xiàn)弱化頂板巖層、縮短來壓步距、降低來壓強(qiáng)度的目的[6]。

2.2 深孔預(yù)裂爆破弱化頂板技術(shù)

通過在1301工作面切眼布置一排預(yù)裂爆破鉆孔，利用爆破形成的沖擊波對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂弱化，具體技術(shù)參數(shù)如下：

（1）鉆孔布置

沿切眼布置一排定向預(yù)裂爆破鉆孔，與垂直方向呈60°夾角。定向預(yù)裂爆破鉆孔孔間距設(shè)計(jì)為10 m，工作面切眼寬度200 m，共布置21個(gè)定向預(yù)裂爆破鉆孔，爆破鉆孔距切眼中心線1.0 m布置，爆破鉆孔深度分別為16 m、22 m、28 m，對(duì)應(yīng)的垂直深度為8 m、11 m、14 m。不同爆破鉆孔深度均布置7個(gè)鉆孔，交替布置。爆破鉆孔布置圖如圖1（圖中僅為其中9個(gè)鉆孔的布置情況），爆破鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖2，爆破鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 定向預(yù)裂爆破鉆孔布置示意圖（m）

圖2 鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

（2）起爆順序

在開切眼內(nèi)從主運(yùn)順槽向輔運(yùn)順槽方向進(jìn)行分組爆破。1～21號(hào)鉆孔依次分5組進(jìn)行：1～4號(hào)第一組，5～8號(hào)第二組，9～12號(hào)第三組，13～16號(hào)第四組，17～21號(hào)第五組。每組布置4或5個(gè)鉆孔。

3 深孔預(yù)裂爆破弱化頂板效果分析

1301工作面回采初期采用深孔預(yù)裂爆破弱化頂板技術(shù)，實(shí)現(xiàn)弱化頂板巖層、縮短來壓步距、降低來壓強(qiáng)度。進(jìn)行工作面初次來壓監(jiān)測(cè)與分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，1301工作面初次來壓步距在19.9～23.8 m范圍，平均步距21.5 m，初次來壓強(qiáng)度在30.6～41.0 MPa范圍，平均強(qiáng)度36.3 MPa。圖3為5#測(cè)站的工作面回采初期支架工作阻力曲線圖。由圖可知，工作面液壓支架初撐力7000 kN，工作面初次來壓時(shí)，液壓支架工作阻力為8000 kN（約38.4 MPa），動(dòng)載系數(shù)1.15。

圖3 5#測(cè)站支架工作阻力曲線圖

表2 工作面初次來壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

采用1301工作面鄰近類似條件工作面頂板來壓情況進(jìn)行對(duì)比分析，圖4給出了深孔預(yù)裂爆破弱化頂板技術(shù)應(yīng)用前后初次來壓步距和強(qiáng)度對(duì)比圖。未采用弱化頂板技術(shù)時(shí)，工作面回采初期初次來壓平均步距36.9 m，平均強(qiáng)度49.5 MPa。采用深孔預(yù)裂爆破弱化頂板技術(shù)后，工作面回采初期初次來壓平均步距21.5 m，平均強(qiáng)度36.3 MPa，來壓步距降低了39.0%，來壓強(qiáng)度降低了26.7%，表明深孔預(yù)裂爆破弱化頂板技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)了頂板弱化，避免了1301工作面回采初期出現(xiàn)來壓步距較大，來壓劇烈現(xiàn)象，保證了工作面安全回采。

圖4 初次來壓情況對(duì)比圖

4 結(jié)論

玉溪煤礦1301工作面采用大采高開采工藝，工作面采高6.1 m。為防止工作面回采初期由于一次性采空范圍大，易誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害事故，提出采用深孔預(yù)裂爆破弱化頂板技術(shù)弱化頂板巖層，設(shè)計(jì)了深孔預(yù)裂爆破弱化頂板技術(shù)和參數(shù)。技術(shù)應(yīng)用后初次來壓步距降低了39.0%，初次來壓強(qiáng)度降低了26.7%，表明深孔預(yù)裂爆破弱化頂板技術(shù)實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)硬頂板弱化，避免了1301工作面回采初期出現(xiàn)來壓步距較大，來壓劇烈現(xiàn)象，保證了工作面安全回采。