崔晋飞

(山西兰花科创 玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048000)

一般把直接存在于煤层上方或较薄的直接顶上面，含有较厚且坚硬的砂岩、砾岩或石灰岩层的顶板称为坚硬顶板[1-3]，其结构致密、整体性强、节理裂隙构造不发育、自稳力强，能大面积悬露在采空区而不垮落，易引发顶板灾害，对矿井生产的安全高效性造成严重影响。处理该类顶板悬落的主要技术手段是预裂爆破技术[4-6]。本文以玉溪煤矿1301工作面为研究背景，针对顶板可能存在不易垮落、初次垮落步距大、易形成大面积悬顶等问题，采取了预裂爆破技术，通过计算确定了相关技术参数，有效避免了工作面漏风严重、瓦斯超限、工作面煤壁片帮等强矿压现象。

1 工程概况

1301工作面是玉溪煤矿的首采工作面，其顶板垮落特征与矿压规律不明确，主采的3号煤老顶中具有较厚的砂岩，致密坚硬，初次回采过程中顶板可能存在不易垮落、初次垮落步距大、易形成大面积悬顶等问题，这将会导致工作面漏风严重、瓦斯超限、工作面煤壁片帮等强矿压现象，对设备和人员造成极大的威胁。

因此，在回采前对1301工作面开切眼顶板进行弱化处理至关重要，针对该工作面的煤岩层赋存和生产技术条件，进行初采前顶板预裂研究。

2 顶底板特征

通过对该矿1301工作面辅助运输巷第十二联络巷顶板岩层结构钻孔窥视可知，主采煤层顶板从下至上依次为泥岩(直接顶)，平均厚度2.4 m；中砂岩(老顶)，厚5.3 m；泥岩，厚7.4 m。预计沿开切眼走向各岩层的厚度变化不大，该工作面主采煤层及顶底板柱状如图1所示。

图1 煤层顶底板柱状

3 预裂爆破基本理论

一般情况下，炸药爆破时，工业炸药爆震面上产生的超高压冲击煤岩体，其附近的一小部分煤岩体由于受到强烈压缩，温度会超过3 000 ℃，这部分岩体呈熔融状且具有流动性而形成空腔。冲击波不断传播，能量不断释放，气体压力和温度骤降，周围的熔融状态的煤岩体的应力不断消除，逐渐粉碎成细微颗粒，便形成了压碎圈[7-8]。径向方向上的裂缝和压碎圈贯通后，由于药室体积的扩大爆炸产物的压力而降低，但仍可钻进裂缝，使裂缝进一步变大，产生拉应力场，形成裂隙圈。炮孔各区分布区域见图2。

图2 炮孔爆破后各区分布

4 顶板预裂爆破主要设计参数

4.1 压碎圈与裂隙区半径

1) 压碎圈半径。受到冲击波的强烈作用，压碎圈内的岩体变得极度粉碎，把在冲击载荷作用下的岩体看成不可压缩的理想流体，对于柱状药包，采用理想流体介质模型，如果采用不耦合装药且系数较小时，则相应的压碎圈半径为：

(1)

其中：

2) 裂隙区半径。岩体中任意一点的应力强度为：

(2)

在压碎区与裂隙区两者的分界面上：

(3)

式中：σR为两者分界面上的径向应力，MPa。σr为煤岩体中的径向应力，MPa。

根据强度准则，当岩体出现裂隙时其区域内半径为：

(4)

在不耦合装药条件下，裂隙区半径为：

(5)

式中：σtd为岩体的单轴动态抗拉强度，MPa。

把顶板岩层参数和3号乳化炸药参数代入计算得破碎区半径约为0.6 m，裂隙区半径约为3.1 m。

4.2 顶板处理高度

根据矿压控制的相关理论及已有的地质资料，判断顶板岩层中5.3 m厚的中粒砂岩为关键层(老顶)，控制着自身及上覆岩层的变形与移动。为使1301工作面顶板在回采初期及时垮落，放顶切断的目标岩层为顶板关键层(老顶)，即5.3 m厚的中粒砂岩。因此将老顶岩层初步确定为该工作面开切眼顶板弱化的主要对象。

结合图1可知，老顶上方泥岩的完整性应适当破坏，设计深孔预裂垂直深度需深入到老顶之上的泥岩内3 m，因此顶板垂直处理高度约为10.7 m。考虑岩层厚度局部可能发生变化，综合确定顶板深孔预裂处理的垂直高度为11 m。

4.3 主要技术参数

预裂爆破主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

5 顶板预裂爆破技术的应用

5.1 炮孔布置

在1301工作面开切眼内施工预裂炮孔20个，编号为1～20，炮眼总长440 m；装药总长度217.5 m，炸药用量650 kg；封泥长度112.5 m。沿开切眼轴向布置炮孔，仰角为(30±2)°，在炮孔距开切眼外帮1.0～1.5 m处顶板打眼。炮眼布置方式如图3所示。

图3 1301工作面开切眼顶板预裂炮孔布置(m)

5.2 炮孔爆破

根据设计进行打孔、装药、联线和爆破。采用“局部并联，总体串联”的方式进行联线，每次起爆一组炮孔(3个)。

在开切眼内从回风巷向胶带巷方向进行起爆：分5组依次进行，第一组：1～4号，第二组：5～8号，第三组：9～12号，第四组：13～16号，第五组：17～20号。每组布置4个钻孔，其中3个钻孔为装填炸药的爆破孔；由于钻孔打出后可能出现局部塌孔无法装药的情况，因此另一个钻孔内不装填炸药，为备用孔。

6 结 语

通过对1301首采工作面开切眼顶板采取预裂爆破技术后，坚硬顶板得到弱化，有效避免了工作面漏风严重、瓦斯超限、工作面煤壁片帮等强矿压现象，保障了工作面安全高效生产。预裂爆破技术是处理坚硬顶板不易垮落、初次垮落步距大、易形成大面积悬顶等问题的有效手段，对类似条件的工作面提供了参考。