大采高工作面回采初期深孔预裂爆破弱化顶板技术

朱瑞岩

（山西兴新安全生产技术服务有限公司，山西 太原 030024）

我国煤矿以井下开采为主，面临着瓦斯、煤尘、水、火和顶板等五大自然灾害，无论是从发生次数还是死亡人数方面看，顶板事故都居煤矿各类事故之首，是影响煤矿安全开采主要因素之一[1-2]。我国有45%的煤炭资源属于厚煤层，一般采用大采高或综放开采工艺。采用大采高开采工艺时，一次性采出煤炭资源多，采空范围大，尤其当工作面回采初期，上覆顶板来压步距较大，来压剧烈，易诱发动力灾害[3-4]。针对大采高工作面回采初期顶板控制难题，常采用卸压方式对顶板岩层进行弱化，最常见的方法为深孔预裂爆破[5-6]。

1 工程概况

玉溪煤矿1301工作面位于一盘区南部盘区巷东侧，开采3#煤层，煤层厚度5.8～6.2 m，平均厚度为6.1 m，煤层底板标高+315～+355 m，地面标高+867.8～+1 031.3 m。工作面北侧为规划1303工作面，南侧和东侧为保安煤柱，西侧为盘区巷。开采煤层为近水平煤层，煤层倾角为0°～10°，平均3°。基本顶为灰-深灰色中厚层状中粒砂岩，均厚5.3 m，具大型交错层理，脉状层理，波状层理；直接顶为黑-灰黑色中-厚层状砂质泥岩，均厚2.4 m，具缓波状层理，水平纹理；伪底为灰黑色砂质泥岩，均厚0.50 m，含煤纹，具滑面；直接底为深灰色中厚层状粉砂岩，均厚3.5 m，具脉状层理，波状层理；基本底为深灰色泥岩，均厚7.55 m，厚层状，含煤纹。玉溪煤矿1301工作面采用大采高一次采全高开采工艺，工作面平均采高6.1 m，工作面切眼长度200 m。

2 深孔预裂爆破弱化顶板技术

2.1 基本原理

大采高开采一次性采空范围大，工作面回采初期，顶板岩层聚积大量的弹性能，顶板岩层断裂后，弹性能突然释放，顶板来压剧烈，易诱发动力灾害。通过在顶板岩层内按一定的间距施工深部钻孔，并进行提前爆破，炸药起爆后，产生强大的冲击波，冲击波形成压应力波，使钻孔围岩瞬间压缩破碎，形成裂隙，并在压应力波的作用下裂隙二次扩展，相邻爆破钻孔间形成的裂隙相互耦合、贯穿，顶板岩层积聚的弹性能得到释放，从而实现顶板弱化的效果。大量工程案例表明，深孔预裂爆破技术可以预裂煤层上方顶板岩层，提前释放顶板内部弹性能，破坏顶板的完整性，实现弱化顶板岩层、缩短来压步距、降低来压强度的目的[6]。

2.2 深孔预裂爆破弱化顶板技术

通过在1301工作面切眼布置一排预裂爆破钻孔，利用爆破形成的冲击波对顶板进行预裂弱化，具体技术参数如下：

（1）钻孔布置

沿切眼布置一排定向预裂爆破钻孔，与垂直方向呈60°夹角。定向预裂爆破钻孔孔间距设计为10 m，工作面切眼宽度200 m，共布置21个定向预裂爆破钻孔，爆破钻孔距切眼中心线1.0 m布置，爆破钻孔深度分别为16 m、22 m、28 m，对应的垂直深度为8 m、11 m、14 m。不同爆破钻孔深度均布置7个钻孔，交替布置。爆破钻孔布置图如图1（图中仅为其中9个钻孔的布置情况），爆破钻孔装药结构如图2，爆破钻孔装药结构参数见表1。

表1 钻孔装药结构参数

图1 定向预裂爆破钻孔布置示意图（m）

图2 钻孔装药结构示意图

（2）起爆顺序

在开切眼内从主运顺槽向辅运顺槽方向进行分组爆破。1～21号钻孔依次分5组进行：1～4号第一组，5～8号第二组，9～12号第三组，13～16号第四组，17～21号第五组。每组布置4或5个钻孔。

3 深孔预裂爆破弱化顶板效果分析

1301工作面回采初期采用深孔预裂爆破弱化顶板技术，实现弱化顶板岩层、缩短来压步距、降低来压强度。进行工作面初次来压监测与分析，监测结果见表2。结果显示，1301工作面初次来压步距在19.9～23.8 m范围，平均步距21.5 m，初次来压强度在30.6～41.0 MPa范围，平均强度36.3 MPa。图3为5#测站的工作面回采初期支架工作阻力曲线图。由图可知，工作面液压支架初撑力7000 kN，工作面初次来压时，液压支架工作阻力为8000 kN（约38.4 MPa），动载系数1.15。

图3 5#测站支架工作阻力曲线图

表2 工作面初次来压监测结果

采用1301工作面邻近类似条件工作面顶板来压情况进行对比分析，图4给出了深孔预裂爆破弱化顶板技术应用前后初次来压步距和强度对比图。未采用弱化顶板技术时，工作面回采初期初次来压平均步距36.9 m，平均强度49.5 MPa。采用深孔预裂爆破弱化顶板技术后，工作面回采初期初次来压平均步距21.5 m，平均强度36.3 MPa，来压步距降低了39.0%，来压强度降低了26.7%，表明深孔预裂爆破弱化顶板技术有效实现了顶板弱化，避免了1301工作面回采初期出现来压步距较大，来压剧烈现象，保证了工作面安全回采。

图4 初次来压情况对比图

4 结论

玉溪煤矿1301工作面采用大采高开采工艺，工作面采高6.1 m。为防止工作面回采初期由于一次性采空范围大，易诱发动力灾害事故，提出采用深孔预裂爆破弱化顶板技术弱化顶板岩层，设计了深孔预裂爆破弱化顶板技术和参数。技术应用后初次来压步距降低了39.0%，初次来压强度降低了26.7%，表明深孔预裂爆破弱化顶板技术实现了坚硬顶板弱化，避免了1301工作面回采初期出现来压步距较大，来压剧烈现象，保证了工作面安全回采。