深孔預裂爆破在工作面強制放頂中的應用研究

田 野

（潞安集團慈林山煤業有限公司，山西 長治 046000）

1 工程地質概況

慈林山煤礦15103工作面開采太原組一段的15#煤層，煤層厚度為1.7～5.8m，平均煤層厚度為3.5m，工作面傾向長130m。工作面直接頂為泥巖、砂質泥巖，是Ⅲ類穩定型頂板，老頂為細粒砂巖，平均厚度為6.6m。根據經驗估算，老頂的來壓量Pe為1050kPa，初次來壓強度大，由于工作面老頂堅硬，不易垮落，容易造成大面積懸頂，威脅工作面安全回采。煤層頂底板情況如下表1所示。因此，在工作面回采過程中，必須人工強制放頂，以減少工作面頂板懸頂面積，保證工作面的安全回采。

2 深孔爆破方案設計

2.1 炮孔設計參數

工作面鉆孔采用現有型號為ZDY1900S鉆孔機進行施工，鉆桿的直徑為75mm。根據現場實際地質條件和施工機具，選用2#礦用炸藥及礦用電雷管進行爆破，藥卷直徑為50mm。合理的封孔長度是爆破效果達到最佳的關鍵因素之一，封孔過長會導致爆破的破碎能力降低，無法使頂板形成大量裂隙，達不到放頂的目的，如果封孔過短，爆破時，爆炸產生的沖擊波將封孔材料推出炮孔，從而無法形成氣楔，導致爆破失敗[1-3]。因此，根據現場爆破經驗，封孔長度一般為炮孔長的30%，為7.8m。

2.2 有效放頂高度

該礦15103工作面的煤層厚度為3.5m，利用公式（1）可以計算爆破強制放頂的有效深度H。

式中：

M-煤層厚度，m；

Kp-工作面頂板巖層碎漲系數，取1.3。

由公式（1）計算可知：H=11.7m，根據計算結果，確定爆破的有效高度為12m，即該工作面厚6.6m老頂的上部。

2.3 工作面頂板各巖層載荷

根據該工作面綜合柱狀圖，煤層老頂以上巖層依次為砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖、煤、泥巖、石灰巖，其巖石力學物理參數如表2所示。根據關鍵層理論計算出各層載荷[4]。

表1 15#煤層頂底板情況表

表2 頂板各層巖石力學參數

（1）煤層老頂所受載荷

細粒砂巖自身載荷q1為：

第二層對第一層巖層產生的作用，則有：

第三層對第一層產生的作用，則有（q3）1：

第四層對第一層巖層產生的作用，則有（q4）1：

第五層對第一層產生的作用，則有（q5）1：

同理可計算得到第六、第七層作用。

計算得到第六、第七層分別作用258.65kPa以及257.34kPa，第七層作用小于第六層作用，因此，可知：第一層老頂的載荷為258.65kPa。

（2）老頂初次來壓步距計算

假定老頂為固支梁，計算其初次來壓步距。

式中：

h-老頂厚度，6.6m；

RT-巖石的抗拉強度，一般細粒砂巖的抗拉強度范圍為4.2～7.8MPa之間，此處，取值為6MPa；

q-老頂巖層載荷，258.65kPa。

為了保證回采安全，爆破強制放頂步距取老頂初次來壓步距的1/2，即22.45m。

2.4 炮孔布置方案

根據工作面長度，共布置6組爆破炮孔，每組包含兩個炮孔，炮孔間距為9m，炮孔的各項參數相同。炮孔的長度為24m，與工作面走向垂直，與工作面傾向成30°夾角，炮孔的終孔高度為12m，每個炮孔的裝藥量為33.5kg，封孔長度為7.8m。炮孔布置示意圖如1所示。

圖1 炮孔布置示意圖

3 爆破技術分析

3.1 裝藥技術

本次爆破采用炸藥是2號礦用乳化炸藥，由于該型炸藥偏軟，因此，在裝藥時容易發生磨損破壞。為了避免破壞，裝藥時，載體采用可以防靜電的PVC管。由于該工作面的采高為3.5m，炮孔的長度是24m，因此，采用8根長3m的PVC管，且在每段PVC管端頭設置卡槽，方便管管之間的連接。炮眼采用連續耦合的裝藥方式，起爆方式為雙雷管引爆。PVC管端頭連接示意圖如圖2所示。

圖2 PVC管端頭連接示意圖

3.2 裝藥量計算

根據參數設計，每個炮孔的裝藥量為33.5kg，工作面共布置6組12個炮孔，因此，總裝藥量為402kg。但由于一些鉆孔塌孔，PVC管在插入過程中受到擠壓變形，炮孔周邊存在較大的煤巖裂隙，因此，在工作面實際裝藥過程中，一部分炮孔裝藥量低于設計裝藥量，現場統計裝藥總量僅為365.5kg。具體炮孔裝藥量如表3所示。

表3 各炮孔實際裝藥量

3.3 爆破產生CO量計算

此次爆破試驗所用的炸藥為二號礦用炸藥，該炸藥的爆炸反應方程式如下式所示：

爆破所用實際炸藥量為365.5kg，依據上述方程式及質量守恒定律（即反應過程中，反應前后原子的種類、數目及質量沒有變化，因此，化學反應前后各物質的質量總和必然相等），可得：爆破產生CO量為5.89kg，CO2的產生量為55.48kg，N2的產生量為97.58kg。工作面傾向長130m，寬3.2m，高度為3.6m，空氣的密度為1.29kg/m3，由此可計算出，爆破前工作面空氣量M為1931.90kg，爆炸后工作面的空氣總量為2090.85kg。由此，可計算出爆破后工作面空氣中CO含量為2.81×10-3。爆破后，利用檢測儀器在工作面回風巷道檢測空氣中CO的含量為2.70×10-3，檢測值與理論計算值相近。因此，該爆破后工作面空氣中CO含量的計算方式可以作為其他工作面深孔預裂爆破后空氣中CO含量的計算方式。

3.4 爆破后通風時間

由于爆破會產生大量CO、CO2、N2等有害氣體，因此，工作面爆破后進人前需要一定的時間進行通風排除有害氣體。該工作面的體積V為1497.6m3，按照《煤礦安全規程》相關規定，工作面的最大風速不得超過4.0m/s，最小風速不得低于0.25m/s，根據工作面寬度3.2m，高3.6m，可計算得到最長通風時間tmax及最短通風時間tmin。時間t1計算公式如下：

計算得到最短通風時間為32.5s，最長通風時間為520s。

15103工作面的配風量為1830m3/min，即30.5m3/s，按工作面配風量計算時間t2的計算公式如下：

t2=V/Q=1497.6/30.5=49.1s

由于32.5＜t2＜520，為了安全起見，爆破后需通風520s后，人員方可進入工作面進行作業。

3.5 爆破效果

工作面回采22.5m后，根據設計方案對工作面頂板進行深孔爆破，爆破后，工作面頂板垮落，冒落的破碎巖塊基本充滿液壓支架后方采空區，工作面采空區頂板由固支梁結構變為懸臂梁結構，當工作面推進至45m附近時老頂初次來壓，支架工作阻力急劇上升。由于初次放頂后，頂板冒落巖塊幾乎充滿后方采空區，所以工作面推進后，頂板巖層垮落，有效減輕了工作面初次來壓頂板大面積垮落帶來的沖擊，保證了工作面人員和設備的安全。

4 結 論

針對15103工作面老頂為細粒砂巖、堅硬不易垮落的情況，為保證工作面安全生產，需采取深孔爆破進行強制放頂，對深孔爆破參數進行設計，并把握好以下操作環節。

（1）裝藥時，采用防靜電的PVC管作為載體，并且PVC管端頭設置卡槽方便連接，有效避免乳化膠炸藥裝填過程中存在較大的磨損，提高整體裝填速度、效率。

（2）采用連續耦合的裝藥設計，應用雙雷管+雙導爆索的引爆方式，有效防止啞炮事件出現。6組12個炮孔全部實現一次爆破。

（3）強制放頂后，頂板冒落巖塊幾乎充滿后方采空區，有效減輕了工作面初次來壓頂板大面積垮落帶來的沖擊，保證了工作面人員和設備的安全。