恒源煤业151303工作面坚硬顶板深孔预裂爆破技术研究

赵海峰

（晋煤集团泽州天安恒源煤业有限公司，山西 晋城 048000）

1 工程概况

山西晋煤集团泽州天安恒源煤业151303工作面位于15#煤层一采区，所采煤层为15#煤层，煤层均厚2.69m，平均倾角为4°，属全区稳定可采中厚煤层；煤层直接顶为K2灰岩，厚度较大，均厚8.63m，底板为泥岩，均厚为2.11m，工作面采用一次采全高综采的采煤方法，由于工作面顶板较为坚硬，相邻工作面未对顶板采取任何措施进行回采作业时，基本顶初次来压步距为55～60m，周期来压步距为30～35m，回采过程中煤壁片帮与支架压架的现象经常发生，端头悬顶较长，工作面端面顶板的最大下沉量大1.1m，对工作面的安全高效回采造成了较大影响，故为保障151303工作面回采工作的顺利进行，现对采用深孔预裂爆破技术对工作面坚硬顶板进行提前处理。

2 深孔预裂爆破技术

2.1 深孔预裂爆破技术

深孔预裂爆破技术即为通过钻孔爆破的方式对坚硬顶板进行弱化，坚硬顶板采用深孔预裂爆破技术后，随着回采工作面的向前推进，采空区的悬顶长度会逐渐增大，顶板坚硬岩层在地应力和自重应力的作用下，会在预裂爆破孔周围薄弱带的位置处发生破断，深孔预裂爆破技术的主要效果取决于预裂爆破造成岩石损伤范围的大小，进行深孔预裂爆破作业时，其技术流程主要为：①计算分析具体岩层钻孔周围质点峰值震动的额速度分布；②开展现场深孔预裂爆破试验，进而有效计算得出爆破预裂损伤的判别计算式；③基于质点峰值震动速度对爆破损伤的范围进行有效预测；其质点峰值震动速度判别的计算式如下：

式中：PPV为质点峰值振动速度，m/s；[ε]为岩石的允许应变值；Cp为岩体的纵波速度，m/s；E为岩体的弹性模量，MPa；[σc]为岩体的抗压强度，MPa；k为[σc]与[σt]之间的关系系数一般取为 1/6～1/8；[σt]为岩体的抗拉强度，MPa。

根据相关理论研究可知[1-2]，针对不同岩体进行深孔爆破作业时，其损伤爆破时质点速度的参考建议值见表1。

表1 岩石爆破损伤PPV临界值

深孔预裂爆破技术中确定装药周围岩体质点峰值速度分布及判别公式，其中炮孔质点峰值振动速度和炮孔内爆生气体的初始压力的表达式为：

式中：k0为一次起爆作业时与炮孔个数有关的系数；R为岩石质点与爆源之间的距离，m；b为炮孔的半径，m；ρ为岩石的密度，kg/m3；p0为炮孔内部爆生气体的初始压力，MPa；ρe为炸药的密度，kg/m3；k为绝热指数，一般近似取为3；De为炸药的爆速，m/s；kd为炮孔装药不耦合系数，kd=db/dc，其中dc为药卷直径；db为炮孔的直径。根据151303工作面具体的地质条件，确定深孔预裂爆破作业采用2号煤矿许用乳化炸药；药卷长度为500mm，直径为dc=60mm，爆速 De=3000 kg/m3；药卷密度 ρe=1250 kg/m3；炮孔直径db=75mm;取不耦合系数为1.25；将上述数据代入式（1）和（2）中能够得出质点峰值振动速度v0=41.4m/s。

在进行正式深孔预裂爆破作业前，通过在回风巷设置炮孔深度为30m，装药量为69kg，装药长度为23m进行试验，得出在距离深孔预裂爆破孔11m的位置处其质点振动速度为24.91cm/s，结合表1可知该参数下深孔爆破能够对11m范围内的岩体形成不同程度的损伤。

2.2 数值模拟分析

为有效研究进行深孔预裂爆破作业时，根据151303工作面各岩层的物理力学参数和炸药的各项参数，采用ABAQUS数值模拟软件，对深孔预裂爆破作业时岩石合理的间距进行分析，设置钻孔直径为75mm，计算范围取为4.5m，分别模拟分析深孔预裂爆破孔间距为0.8m、2m、3m和4m条件下岩石的应力分布状态，根据数值模拟结果能够得出不同炮孔间距下岩石的应力云图如图1所示。

通过具体分析图1可知，仅改变炮眼之间的间距，其余参数不变时，炮孔周围岩体的应力分布仍然会呈现出较大的差别，当炮孔间的间距为0.8m时，此时质点的峰值振动速度为263cm/s，岩石能够得到完全破碎；当炮孔间距为2m和3m时，质点的峰值振动速度分别为115cm/s和80cm/s，据此可知在炮孔间距为2m或3m时，炮孔周围4.5m的岩体会出现严重的径向和拉伸裂隙；在炮孔的间距为4m时，质点的峰值振动速度为61cm/s，此时岩体仅会出现轻微的拉伸层裂；炮孔的间距在0.8m～4m的范围内时，深孔爆破后岩体的应力均出现相互交圈的形式，但考虑到炮孔间距较小时，工作面回采作业时顶板较难管理，炮孔间距较大时，深孔预裂爆破的效果不明显；基于上述分析，考虑到151303工作面的具体情况，在保证爆破效果的情况下，确定了深孔预裂爆破炮孔的间距为2m。

图1 不同炮孔间距下岩石的应力云图

2.3 方案设计

1）爆破孔直径与长度。根据众多相关深孔预裂爆破的理论研究与工程实践[3-4]，深孔预裂爆破孔的直径范围一般在60～80mm之间，结合151303工作面的具体情况，确定爆破孔的直径为75mm，在现场工程应用时，在保证爆破效果与安全的情况下，尽可能的减小爆破孔的长度，基于此确定爆破孔长度在11～42m之间。

2）爆破钻孔布置形式。结合工作面的具体情况，确定在工作面两回采巷道内工作面煤壁侧通过开挖钻孔硐室的方式，在硐室内打设预裂钻孔进行超前工作面的顶板深孔爆破预裂作业，钻场硐室尺寸为宽×深=4m×3.5m，两回采巷道之间钻场的间距为30m，钻场内的爆破孔采用两种方式布置，一种平行于工作面，另一种与巷道延伸轴线成一定的角度布置，具体钻场硐室内的钻孔布置形式示意如图2所示，图中A～E号爆破钻孔平行于工作面呈扇形布置，用以切断工作面推进方向上顶板的相互连结，F～H号钻孔与两巷延伸线成18°扇形布置，用以切断工作面顶板与回采巷道一侧之间的连接，具体两回采巷道内顶板预裂钻孔布置的各项参数见表2。

图2 钻场硐室内爆破钻孔布置形式示意图

表2 深孔预裂爆破钻孔布置及爆破参数表

4）爆破顺序及联线方式。在151303工作面两回采巷道进行深孔预裂爆破作业时，采用靠近工作面向远离工作面的方式进行依次爆破作业，即爆破顺序为 A、B→C、D→E、G→H→F；进行爆破作业时钻孔的联线方式采用局部并联、总体串联的方式，具体爆破孔的联线方式如图3所示。

图3 爆破钻孔雷管联线方式示意图

3 深孔预裂爆破效果分析

为了分析评价151303工作面深孔预裂爆破的效果，沿着工作面走向方向对部分液压进行有效监测，具体对工作面 1#、5#、10#、15#、90#、95#、100#和105#支架的工作阻力进行有效监测，从工作面两巷采用顶板深孔预裂爆破技术后进行监测作业，进行5次周期来压的监测作业，通过自动记录仪器对支架的工作阻力数据进行连续记录，工作面测区布置如图4所示。

图4 工作面矿压观测站布置形式示意图

根据工作面矿压结果可知，151303工作面采用深孔预裂爆破技术后，顶板冒落较为充分，随着回采作业的进行，采空区顶板随着支架的移动向前移动而逐渐发生垮落，当工作面顶板出现来压期间，顶板周期来压的最大步距为22m，最小步距为13m，且工作面端头三角区域顶板能够充分冒落，监测期间支架再顶板未来压期间，其工作阻力为26～30MPa，顶板周期来压期间工作阻力均在33～38MPa之间，基于此可知在工作面回采期间液压支架的工作阻力较为合理，另外根据151303工作面回采过程中的现场观测可知，工作面回采过程中未出现煤壁片帮的情况，工作面端头顶板也表现为随采随落的情况，未出现悬顶情况，据此可知151303工作面坚硬顶板采用超前深孔松动爆破后有效的缩短了工作面的悬顶长度、解决了工作面煤壁易片帮及端头悬顶过长的问题。

4 结 论

通过具体分析深孔预裂爆破技术的机理，并采用数值模拟结果对爆破孔间合理的间距进行了模拟分析，结合工作面的具体情况对超前深孔预裂爆破方案进行具体设计，151303工作面采用深孔预裂爆破技术后，基本顶的周期来压步距由30～35m减小为13～22m，支架的工作阻力均正常，回采过程中无煤壁片帮语支架压死的情况出现，保证了工作面的正常生产。