建新煤业厚硬顶板深孔预裂爆破控制技术研究与应用.pdf

622023 年第 8 期建新煤业厚硬顶板深孔预裂爆破控制技术研究与应用王立伟（长治市上党区应急管理局，山西 长治 047100）摘 要 为解决建新煤业15#煤层厚层坚硬基本顶条件下工作面开采剧烈矿压问题，通过工程类比、理论分析、矿压监测等方法，进行深孔爆破弱化顶板方案设计及应用研究。研究表明，基本顶初次来压步距 40.452.2 m，周期来压步距 18.923.1 m，采取爆破预裂技术后，工作面顶板表现为分层、分段垮落，基本顶初次来压步距 31 m，周期来压步距 16.2 m，工作面未出现剧烈来压现象，顶板弱化效果较好。关键词 采煤；坚硬；顶板；爆破 中图分类号 TD327.2 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.021Research and Application of Deep Hole Presplitting Blasting Control Technology for Thick and Hard Roof in Jianxin Coal IndustryWang Liwei(Changzhi City Shangdang District Emergency Management Bureau,Shanxi Changzhi 047100)Abstract:In order to solve the problem of severe mining pressure in the working face of the 15#coal seam under the condition of thick layer and hard basic roof in Jianxin Coal Industry,a deep hole blasting weakening roof scheme design and application research are carried out through engineering analogy,theoretical analysis,mine pressure monitoring and other methods.The research shows that the initial pressure step distance of the basic roof is 40.4-52.2 m,and the periodic pressure step distance is 18.9-23.1 m.After adopting the blasting presplitting technology,the roof of the working face exhibits layered and segmented collapse.The initial pressure step distance of the basic roof is 31 m,and the periodic pressure step distance is 16.2 m.There is no severe pressure phenomenon happen in the working face,and the weakening effect of the roof is good.Key words:coal mining;hard;roof;blast收稿日期 2023-01-01作者简介 王立伟（1978），男，山西长治人，2018 年毕业于河北工程大学（函授）采矿工程专业，本科，工程师，现在长治市上党区应急管理局从事煤矿安全监管工作，研究方向：煤矿水害防治。王立伟：建新煤业厚硬顶板深孔预裂爆破控制技术研究与应用1 工程概况长治建新煤业有限公司矿井开采 3#15#煤层，15#煤层厚 4.026.55 m，平均 4.87 m。15101 工作面位置如图 1。工作面顶板为致密块灰岩（K2），厚度 8.28 m，有时存在厚度不大的泥岩伪顶，随开采而塌落。K2 灰岩的抗压强度为 84.4110.8 MPa，抗拉强度为 2.63.8 MPa，凝聚力系数 15.015.6，属坚硬岩石，稳固性好。由于灰岩顶板坚硬，回采后大面积悬顶不垮落，给生产带来安全隐患。为了确保工作面回采后顶板及时垮落，降低工作面大面积来压的风险，结合周边邻近煤矿 15#煤层开采经验，拟对 15#煤层顶板进行深孔预裂爆破。图 1 15101 工作面布置平面图2 15101 工作面顶板运动步距分析采煤工作面回采期间，后方采空区顶板运动形式主要有直接顶初次垮落、基本顶初次垮落、周期垮落，顶板岩层的每次运动会引起工作面矿压显现，15101 工作面无直接顶，基本顶为灰岩，因此仅需分析基本顶初次垮落步距和周期垮落步距。2.1 基本顶初次垮落步距基本顶初次垮落步距有两种计算方法：一种是根据固支板理论计算1，一种是根据梁的理论计算632023 年第 8 期王立伟：建新煤业厚硬顶板深孔预裂爆破控制技术研究与应用2。对于工作面长度大，且岩石坚硬完整的顶板，比较适合用板的理论计算垮落步距。根据弹性理论可确定沿工作面推进方向“板”的极限步距：0=32C/b （1）t41 3 coskm.=（2）式中：C 为基本顶初次垮落步距，m；b 为采煤工作面长度，；t为基本顶抗拉强度，N/m2；k 为老顶龟裂系数，k=0.251.0；m 为基本顶厚度，m；为基本顶容重，N/m3；为煤层倾角，（）。15101 工作面各参数见表 1。通过上式计算得到基本顶初次垮落步距 C0=40.452.2 m。表 1 顶板运动步距计算参数岩层参 数/mC0/mb/mt/（N/m2）km/m/（N/m3）/（）基本顶1203.81061.07.110.62.5104457.770.540.452.22.2 基本顶周期来压步距初次来压后，基本顶的周期垮落通常按悬臂梁形式垮落：2t=3mCq （3）式中：q 为基本顶岩层受到的均布垂直应力，仅考虑基本顶岩层的自重，当基本顶厚度为 7.1 m 时，q=0.178 MPa，基 本 顶 厚 度 为 10.6 m 时，q=0.266 MPa。据此，预计 15101 工作面的周期来压步距C=18.923.1 m。综上可知，正常开采条件下，15101 工作面基本顶初次垮落步距为 40.452.2 m，周期垮落步距为 18.923.1 m。3 顶板爆破方案设计由于石灰岩顶板钻孔比较困难，钻孔花费的时间比较多，为了避免在综采面生产过程中停产进行钻孔爆破，因此选择在切眼预先爆破切断灰岩顶板，从而缩短工作面初垮步距，降低初次来压强度。初压后工作面进入周期来压阶段，由于灰岩顶板强度高，液压支架回撤后采场后方将有较大的悬顶距，尤其是上下隅角处悬顶距将更大，造成工作面矿压显现强烈，有一定的安全隐患，也需要进行强制放顶，但生产过程中进行强制放顶对生产有较大影响。根据周边邻近矿的经验3-4，选择在两巷顺槽进行深孔预裂爆破，最大程度降低工作面尤其上下隅角的悬顶面积。3.1 工作面切眼深孔爆破15101 工作面顶板深孔爆破预裂的目标层位为灰岩基本顶，深孔爆破只要切断了灰岩，其上方软弱岩层会随之垮落，并充填满采空区。因此，确定炮孔垂直高度为 7.110.6 m，切眼附近顶板灰岩厚度为8.0 m左右，据此设计爆破钻孔垂直深度为8 m。15101 工作面灰岩厚度为 7.110.6 m，按平均值 8.28 m，即最小抵抗线距离为 8 m，初步设计切眼钻孔间距按 8 m 确定。考虑到施工的方便性、钻孔的工作量以及爆破效果，确定炮眼的角度取 30，顺切眼方向倾斜。15101 工作面顶板坚硬，采用 2 号煤矿乳化炸药、药卷直径 60 mm、药卷长 500 mm、每卷药重 1.62 kg、线装药密度为 3.24 kg/m。爆破孔的封孔长度是非常关键的参数，设计炮孔封孔长度应为孔深的 25%40%，即封孔系数为 0.250.4。结合装药系数，封孔系数取 0.3，即封孔长度取为 4 m。根据邻近矿的经验，工作面两端不易垮落，对采场有较大影响，所以预裂爆破的重点是工作面两端部分，具体数据可结合现场打眼难度等指标确定。综上所述，设计 15101 工作面切眼内爆破钻孔布置详情如图 2 及表 2。3.2 工作面顺槽深孔爆破根据邻矿经验，周期来压期间，工作面中部能正常垮落，对采场影响较小，但两端垮落较差，如不采取预爆，对采场有较大影响，存在一定的安全风险，因此，需要对两端顶板进行预裂爆破处理。为了避免打眼造成工作面停采，选择在两巷顺槽中进行深孔预裂爆破。为了达到更好的效果，需要确定合理的循环爆破步距和钻孔的布置。根据前面的预测计算，在基本顶厚度 7.110.6 m 的情况下，15101 工作面基本顶周期来压步距为 18.923.1 m，因此，确定顺槽爆破步距为 20 m。在 15101 工作面两侧顺槽内每间隔 20 m 对称布置钻场，钻场布置在工作面实体煤帮内，深 4.0 m、宽 3.5 m。钻孔布置详情如图 3，顺槽钻场内爆破钻孔参数见表 3。642023 年第 8 期 图 2 15101 工作面切眼深孔爆破钻孔布置（m）表 2 切眼顶板爆破钻孔参数表钻孔编号长度/m仰角/（）直径/mm装药长度/m封孔长度/m装药量/kgA1A3,a1a316.030759.07.027.0B1B3,b1b316.09.07.027.0C1C3,c1c320.012.09.036.0D1,d122.66.05.618.0D2,d26.93.53.410.5（a）平面图 （b）-剖面（c）I-I 剖面图 3 顺槽内钻场硐室爆破钻孔布置示意图（m）4 应用效果分析根据建新煤业 15101 工作面深孔爆破顶板弱化方案，在现场开展工业性应用试验。为分析深孔爆破预裂顶板弱化效果，在工作面回采初期监测顶板垮落情况及支架载荷变化情况。工作面上三角区和下三角区为顶板垮落难度较大的部位，工作面回采12.8 m、14.4 m，上三角区、下三角区顶板分别开始垮落，工作面回采 24.0 m，能听到清脆的顶板破断声音，后方采空区出现大面积垮落，液压支架间空隙基本被冒落的岩块充填，无法继续直观观察后方采空区顶板岩层垮落情况，顶板出现分层、分段垮落，可以较好地避免工作面出现大面积剧烈来压现象。选取工作面上部 5#支架、中部 30#支架、下部 55#支架载荷监测数据如图 4，工作面初次来压步距平均为 31 m，周期来压平均步距为 16.2 m，基本顶初次来压步距相对于爆破前的理论值减小了23.3%（爆破前按照 40.4 m 计算），周期来压步距相对于爆破前减小了 14.3%（爆破前按照 18.9 m 计算）。由此说明，深孔爆破预裂后，缩短了基本顶断裂步距，降低了工作面来压的强度。表 3 顺槽钻场内爆破钻孔参数表钻孔编号长度/m仰角/（）直径/mm装药长度/m封孔长度/m装药量/kgA42775251269B4211301287C311622959D222114839E13407623F11456518G16309727H181611731652023 年第 8 期王立伟：建新煤业厚硬顶板深孔预裂爆破控制技术研究与应用 （a）5#支架（b）30#支架（c）55#支架图 4 支架载荷变化曲线5 结语以建新煤业 15101 工作面在厚层坚硬顶板条件下开采为背景，通过工程类比、理论计算、矿压监测等手段，设计研究深孔爆破预裂弱化工作面顶板方案并进行工业应用。正常顶板条件下，15101 工作面基本顶初次来压步距 40.452.2 m，周期来压步距 18.923.1 m，结合工作面巷道布置及围岩条件，设计切眼及顺槽内爆破孔布置参数及方案。现场应用期间监测顶板垮落情况及支架载荷，工作面顶板表现为分层、分段垮落，基本顶初次来压步距约为31 m，平均周期来压步距为 16.2 m，通过深孔爆破预裂对顶板弱化效果较好，降低了工作面顶板来压的强度。【参考文献】1 张俊义.3119 综放工作面坚硬顶板深孔爆破技术研究 J.山东煤炭科技，2022，40（08）：80-82+86.2 刘瑞丰.岳南煤业厚层坚硬顶板深孔爆破放顶技术研究 J.山东煤炭科技，2022，40（07）：14-16+20.3 李楠.综采工作面厚硬砂岩顶板深孔爆破预裂卸压技术与应用 J.煤炭技术，2022，41（07）：143-147.4 李磊波.深孔爆破卸压孔间距设计与破坏效果分析 J.山西冶金，2022，45（02）：74-76.侧顶帮完整区域看护前部运输机，发现道木、锚杆、钢带、金属网等杂物及时停机拾出。4）工作面揭露老巷两端开口前 2 m 时，将老巷开口处支设的单体进行回撤，回撤后支架及时伸出前探梁及护帮板支护顶板。4 结语14320 综放工作面过 14318 轨顺、14320 运顺西段、14310 西运顺三条老巷时，顶板较为完整，未影响工作面推进；过 14320 运输通道及 14320 电控通道时顶板下沉明显，但由于前期及时对顶板进行加固，生产过程中未发生较大片帮冒顶事故，证明了过老巷方案的有效性，保障了工作面生产安全。（上接第 61 页）【参考文献】1 张斌峰.1204 采煤工作面过老巷实践 J.山东煤炭科技，2020（01）：46-47+52.2 石伟.采煤工作面过老巷技术实践应用 J.自动化应用，2019（08）：109-110.3 姬亚强.松软中厚煤层综放工作面过老巷技术实践 J.煤炭科技，2018（02）：73-74+82.4 贾广兴，汤启光，朱同祥，等.软岩大倾角炮采工作面留垛过老巷工艺研究与应用J.科技展望，2016，26（26）：77-78.5 赖松仁，李禹，林伟，等.浅谈白源矿 1383 采煤工作面过老巷开采J.江西煤炭科技，2010（02）：24-25.