摘 要：以西铭矿21303综采工作面为研究背景，针对该工作面采空区顶板管理难度较大，不易冒落以及矿压显现明显等难题，通过理论分析以及对超前深孔爆破参数的深入研究，最终合理确定爆破循环步距，实现厚硬顶板超前预裂爆破弱化，由难冒顶板向可冒或易冒顶板转变，有效降低顶板的周期垮落步距，达到顺利回采的目的。

关键词：顶板;深孔预裂爆破;弱化

Abstract：Taking 21303 fully mechanized working face of Malan Coal Mine as the research background， aiming at the problems of roof management in goaf of Ximing coal mine， such as difficult roof management， difficult caving and obvious ground pressure behavior， through theoretical analysis and in-depth study of advanced deep hole blasting parameters， the blasting cycle distance is finally determined reasonably， realizing the weakening of thick and hard roof pre splitting blasting， from difficult roof falling to caving or easy caving Roof transformation can effectively reduce the periodic caving step distance of roof， and achieve the purpose of smooth mining.

Key words：roof;deep hole presplitting blasting;weakening

0 引言

煤炭開采过程中，顶板的复杂程度往往超出想象，当遇到采空区有厚硬顶板时，通常会出现大面积悬顶，厚硬顶板具有较高的抗拉强度和弹性模量，较难垮落，如果任其发展不加控制，悬顶面积会不断增加，此时一旦垮落，极易造成较大事故。

如何有效控制厚硬顶板是围岩控制的一项核心内容。对于顶板弱化技术，应用较为广泛的有高压注水弱化顶板技术，一是通过高压水达到对顶板压裂的效果，二是通过注水改变岩石内部的结构强度和变形特征，进而改变岩石的强度;超前深孔预裂爆破弱化技术，通过对采煤工作面前方的坚硬顶板内钻深孔，装药后进行松动爆破，达到未受采动影响的原岩体内部在爆破后预裂形成破碎区和裂隙区，最终达到强制放顶的目的。经过分析比较，最终西铭矿21303综采工作面决定采用超前深孔预裂爆破弱化技术进行顶板的管理控制[3-4]。

1 工作面地质条件

西铭矿21303综采工作面是21302的接替工作面，机巷走向长度985m，风巷走向长度990m，切眼长度195m，平均煤层厚度4.16m。

本工作面回采煤层为8#煤层，顶板多为深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及细中粒砂岩，最大厚度能够达到9.87m;底板为灰--深灰色泥岩，灰褐色含铝质泥岩，厚度1.2～16.3m，伪底多为炭质泥岩，一般2～3m。工作面煤层赋存稳定，煤层倾角为2～5°，本工作面8#煤层为较稳定煤层，煤层顶底板情况如表1所示：

2 厚硬顶板破断规律分析

西铭矿21303综采工作面顶板属于厚硬顶板，厚度大于8m，坚固系数大于7，不仅具有较大的抗拉强度，抗剪强度也较大，因此容易形成大面积悬顶。通过对21303工作周期来压的观测，可知：小周期来压步距平均为24m，大周期来压步距平均为213m。

在工作面回采过程中，采空区悬露顶板在两侧煤柱及前方未开采煤层的共同支撑作用下，形成了一个顶、底、煤层三者彼此支撑的统一整体，此时将采空区垮落前的顶板近似看做悬臂梁，同时假设为连续的弹性介质，那么在工作面持续向前推进的过程中，随着一端支点支撑作用的减弱，顶板逐渐失去支撑，随后发生垮落。悬臂梁模型如图1所示：

其中：q-均布载荷;h-岩梁厚度;2W-顶板岩层自重;l-悬梁跨度一般长度。

初次来压步距较大时，随工作面推进，顶板跨度不断增加，固支梁两端弯矩增大，此时固支端上表面的拉应力超过了岩石的抗拉强度极限，工作面支撑压力急剧增大，基本顶底部采场中部范围岩层处于塑性拉伸破坏状态，导致基本顶发生破断，当悬臂梁长度越大时，工作面支架承受的附加载荷越大，顶板积聚的能量也越大，此时发生冲击危险性就越大。

3 超前深孔预裂爆破基本原理及参数设计

3.1 超前深孔预裂爆破基本原理

超前深孔预裂爆破，就是炸药在炮孔内发生反应产生冲击波，伴随大量高温高压爆炸气体在半无限介质中传播的过程。当爆炸产生的气体压力大于介质的动抗压强度，那么炮孔周围的介质在压力作用下被压缩并发生破碎，除抵抗动抗压强度外的其余冲击波会以应力波的形式继续向介质内部扩散。在应力波的作用下，在靠近压缩区域的介质中会产生两种变形，即径向压缩和切向拉伸，径向裂隙的产生原因就在于切向拉伸应力大于动抗压强度，随着应力波的衰减，裂隙停止扩展。爆生气体总是与应力波相伴而行，紧随其后，迅速膨胀扩散进入径向裂隙中，在爆生气体尖劈作用下，裂隙得以迅速扩展，同时爆生气体会楔入裂隙的空腔腔壁上，其产生的准静态应力场能够导致裂隙尖端产生集中应力，在爆生气体驱动下，使得裂隙始终朝着应力较低的方向扩展。

3.2 炮孔布置方式及参数设计

炮孔布置方式取决于老顶岩层的厚度以及高度、工作面倾角及倾斜长度、初次来压及周期来压步距的大小、炸药爆破性等多种因素。西铭矿21303工作面将采用双向钻孔法的深孔炮孔布置方式，分别在进风巷与回风巷处向顶板钻取深孔，布置方式如图2所示：

炮孔参数设计：

对于超前深孔预裂爆破而言，依据以往经验可知：大孔径深孔爆破效果往往优于小孔径，因此决定将炮孔直径设计为75mm。

炮孔间距的确定需要依据断裂力学，当炮孔与工作面平行时，可知炮孔间距公式为：

其中：K代表调整系数，一般取为18;rb代表炮孔半径;f代表岩石普氏系数，取为9。

将以上数值代入公式可得：

E=18×0.0375×91/3=1.76m，因此最終取值为2m。

炮孔排距的取值通常小于孔间距，主要与炮孔密集系数有关，排距b=nE。

其中n代表炮孔密集系数，取值为0.5;E为孔间距。最终计算排距b为1m。

炮孔末端高度的确定需要依据工作面压力分布拱特点进行设计，其中老顶切断孔末端高度为充满采空区冒落顶板厚度的3倍，块度控制孔为其2倍，端头切断孔为1.5倍。

双向钻孔法布置时炮孔深度：理论上讲，爆破孔的深度与工作面长度成正比，工作面长度越长，所需爆破岩层厚度就越大。但从施工角度考虑，超过55m的钻孔深度，无论对于钻孔还是装药都产生较大难度，因此，炮孔深度应尽可能减小。

封孔长度应大于炮孔深度的20%，但多数情况下长度不应小于7m。

装药量：考虑到巷道的安全振动速度不宜过大，因此起爆药量一次设计为450-550kg。

4 预裂爆破效果分析

采用双向钻孔超前预裂爆破弱化顶板技术后，对21303工作面顶板来压周期进行观测，记录如图3所示：

观察图3可以看出，小周期来压步距平均值为17m，大周期来压步距为174m，相比之前未采取预裂爆破时来压步距分别减小了29.2%和18.3%。由此可知顶板在强制放顶处即发生断裂，使得周期垮落步距明显减小，能够保证支架在强制放顶处受到厚硬顶板的压力相比未采取相应措施时明显降低，工作面支架的支护强度此时能够满足顶板周期垮落所带来的压力，实现安全生产。

5 结论

通过对21303工作面实施双向钻孔预裂爆破弱化顶板技术，结合爆破基本理论以及顶板破断规律分析，最终提出合理的爆破参数设计。顶板在经过预裂爆破弱化处理后，工作面支架的受力情况得到明显改善，原因在于：预裂爆破能够保证强制放顶处顶板按照预期进行垮落，有效减小周期垮落步距，保证安全生产。

参考文献：

[1]杨泽进.常村煤矿聚能预裂爆破弱化顶板技术研究[J].煤炭工程，2020，52（04）：58-61.

[2]张锋，程建圣，杨贵儒，张立魁.综放工作面初放期间顶板矿压显现规律分析[J].煤炭技术，2017，36（09）：82-84.

[3]杨贵儒，刘俊，赵凯，孙炳兴.综放工作面弱化爆破坚硬顶板矿压规律分析[J].中州煤炭，2016（05）：62-66.

[4]李超，康天合，张彬.综放初采期深孔预裂爆破弱化顶板的试验研究[J].煤矿安全，2015，46（10）：28-31.

作者简介：

牛嘉野军（1981- ），男，山西朔州人，毕业于太原理工大学，本科，现任西山煤电金城建筑公司副总经理，研究方向：矿建工程。