岳南煤业厚层坚硬顶板深孔爆破放顶技术研究

刘瑞丰

（山西泽州天泰岳南煤业有限公司，山西 晋城 048000）

1 工程概况

岳南煤业215102 综采工作面布置在15#煤层一采区，煤层平均厚度3.8 m，煤层倾角约1°～7°，平均3°，在煤层中含有一层0.3 m 左右的泥岩夹矸。215102 工作面推进长度550 m，切眼长度176 m，埋深约为172～152 m。工作面西部为南翼回风大巷，与回风大巷垂直布置；南部为215103 工作面；北部为215101 回采工作面；东部为实体煤岩。工作面岩层柱状图如图1。

由图1 可知，工作面无伪顶及直接顶，顶板为深灰色K2 灰岩，厚度达8.35～10.55 m，平均9.5 m，且强度较高，为典型的坚硬厚岩层，其在回采过程中不易垮落，易形成大面积悬顶，引起工作面强矿压显现，影响安全生产。因此，需在工作面来压前通过深孔预裂爆破[1-5]，实现坚硬顶板的强制破断。

图1 15#煤岩层柱状图

2 顶板深孔爆破裂纹扩展特征

2.1 数值计算模型建立

CDEM 是一种将有限元及离散元方法融合在一起的数值模拟软件，它可以有效地模拟出岩体的非连续破坏的整个过程，并且可同时计算动态及静态载荷同时作用下的岩体破坏变形。因此，采用CDEM 模拟深孔爆破时坚硬顶板内裂纹的扩展特征，为后续确定合理的炮孔间距提供依据。

基于215102 综采工作面的实际地质条件，建立二维数值计算模型，模型尺寸为：长×高=100 m×35 m，按表1 的数据对各岩层的物理力学参数进行赋参。对模型两边及底部进行位移约束，模型顶部施加一定的均布载荷模拟上覆岩层压力。模拟中在开切眼顶板向上倾斜45°布置炮孔，炮孔深度13.5 m，封孔长度设计为5.5 m，利用CDEM 的爆炸计算模块模拟炮孔的裂纹扩展规律，对比分析预裂爆破前后坚硬顶板的运移破断规律。

表1 煤岩体物理力学参数

2.2 模拟结果分析

开切眼形成后，对工作面顶板进行爆破动态模拟，爆破后不同时刻顶板的裂隙扩展特征如图2。

图2 数值模拟结果

由图2 可知，炮孔爆炸后形成的冲击波在岩体迅速传播，炮孔周围的岩体出现了明显的位移，使得炮孔出现扩腔，半径大幅度增加。炮孔周围岩体中出现的裂隙主要为水平裂隙，局部伴生纵向裂隙，且各裂隙间互相贯通，岩体破碎效果较好。

为确定合理的炮孔间距，在距炮孔起爆点一定距离内布置监测点，对起爆后炮孔周围岩体的应变情况进行监测分析，如图3。

图3 炮孔周围岩体应变时程曲线

由图3 可知，炮孔起爆后，应力波在岩体中的传播随着时间的增加而不断衰减，经过7 ms 后测点的应变趋于稳定。另外，距炮孔起爆点6 m 监测点的应变基本没有大幅度的变化，说明大于此范围的围岩受应力波的影响较小，相邻炮孔起爆后不会影响下一组炮孔的完整性，因此，初步确定炮孔间距为6 m。

模拟工作面的推进过程中，通过循环开挖的方式，每次开挖5 m 并计算平衡后进行下一步开挖。原生顶板岩层运移破断情况如图4，深孔爆破后顶板岩层运移破断情况如图5。

图4 原生顶板岩层运移破断情况（m）

由图4 可知，原生坚硬顶板未采取爆破处理时，工作面推进20 m 后，顶板在拉应力的作用下仅产生微小的离层裂隙；工作面推进30 m 后，顶板K2 灰岩下部出现局部冒落，但其整体性仍然保持完好，在采空区形成大面积悬顶。由图5 可知，在开切眼后方对坚硬顶板实施深孔爆破处理后，在工作面推进20 m 时，顶板岩体出现大量顺层裂隙并明显下沉；工作面推进30 m 后，在应力的作用下，采空区内的K2 灰岩垮落破断。通过模拟结果可以看出，对坚硬顶板进行深孔预裂爆破后，其内部岩体产生大量贯通裂隙，完整性被破坏，并可以在采空区内及时垮落破断，减小工作面来压步距及来压强度。

图5 深孔爆破后顶板岩层运移破断情况（m）

3 深孔爆破炮孔参数

（1）炮孔角度

炮孔仰斜的角度直接影响乳化炸药的装药难易程度和爆破效果。综合考虑现场实际条件及施工成本等，确定炮孔仰斜角度为45°。

（2）炮孔深度

炮孔深度对顶板预裂爆破效果也有十分重要的影响，一般通过工作面需要强制放顶的岩层层位高度及岩性来进行确定。为保证215102 工作面放顶后能够达到减压效果，爆破后冒落的岩层应能够有效地充实采空区，则215102 工作面需要进行放顶的岩层高度H可由下式计算：

式中：h为工作面采高，取3.8 m；K为冒落岩层的碎胀系数，根据K2 灰岩的岩性，取1.4。通过计算得出215102 工作面放顶高度H=9.5 m。炮孔角度为45°，则炮孔深度为L=H/sin45°=13.5 m。

（3）炮孔间距

炮孔间距主要与每个孔起爆后形成的裂隙区范围有关。炮孔间距过大会导致裂隙不能形成贯通，达不到放顶目的；炮孔间距过小则会导致相邻炮孔破坏或引起炮孔冲击的危险。为保证爆破的连续性及安全性，结合数值模拟结果及现场实际条件，确定215102 工作面深孔爆破的炮孔间距为6 m，本次爆破采用的炸药为矿用2 级乳化炸药。炮孔布置方式如图6。

图6 深孔爆破炮孔布置方式（mm）

4 应用效果

215102 工作面安装支架完成后向前推进3～4刀，并对支架后方进行控顶支护，在控顶安全范围内进行顶板的深孔爆破试验，按照设计的爆破参数施工钻孔并装药后，炮孔沿工作面倾向，从运输巷端头向回风巷端头依次起爆。爆破完成后工作面顶板出现了明显的纵深裂隙，待工作面继续推进一定距离后，通过现场观察得出，采空区顶板能够及时垮落并有效充填采空区，未出现大面积悬顶的现象。

为分析215102 工作面坚硬顶板爆破的卸压效果，在工作面上部、中部及下部共计布置8个监测站，对爆破后工作面的支架阻力进行实时监测，并统计分析顶板的初次来压情况。统计结果见表2。

表2 215102 工作面初次来压情况

由表2 可知，对215102 工作面坚硬顶板实施深孔爆破后，工作面的平均来压步距为32.9 m，平均动载系数为1.27。该矿类似工程条件下的工作面，未采取放顶处理时的初次来压平均为58.6 m，采取深孔爆破放顶处理后，初次来压步距减小了25.7 m，可见提出的深孔爆破技术取得了显著的卸压效果。

5 结论

为解决215102 工作面坚硬顶板垮落不及时造成悬顶面积大的问题，提出了深孔预裂爆破强制放顶技术。通过数值模拟对坚硬顶板爆破后的裂纹扩展特征进行了分析，结合现场实际条件确定出合理的炮孔间距为6 m，并对炮孔角度及炮孔深度等参数进行了确定。在215102 工作面推进3～4 刀后，在开切眼支架后方进行了现场试验，结果表明：工作面的平均来压步距为32.9 m，平均动载系数为1.27，相比于该矿类似工程条件下工作面的初次来压步距减小了25.7 m，卸压效果显著，且采空区未出现大面积悬顶的现象。