五家溝煤礦堅硬頂板工作面深孔爆破放頂技術

穆玉林

（中煤科工山西華泰礦業管理有限公司五家溝礦，山西 朔州 036000）

1 工程概況

五家溝煤礦15301 綜放工作面布置在5-1 號煤層，5-1 煤埋深81.5～96.96 m，北部埋深較淺，南部埋深相對較深，呈現東南高西北低的特征；煤層傾角約1°～7°，平均3°；揭露的煤厚為3.4～10.0 m，平均8.23 m；煤層中含有兩層0.20 m、0.27 m 左右的夾矸。煤層地質探測孔鉆探期間記錄的頂板巖性結果如圖1。

由圖1 可知，煤層頂板至地表多為各類砂巖層，完整性好，厚度大，層間結合良好，是典型的大厚度堅硬頂板。由于工作面埋深淺，頂板厚硬，開采過程中頂板易懸頂，懸頂破斷后易造成強礦壓顯現，對安全生產造成不利影響。因此，需通過深孔預裂爆破對堅硬頂板進行強制放頂處理[1-5]，保證工作面安全回采。

圖1 5#煤頂底板柱狀圖

2 頂板深孔爆破技術方案設計

2.1 深孔爆破鉆孔設計原則

根據15301 工作面頂板地質情況，煤層頂板至地表可看作一個連續的巨厚的砂巖巖板，因此深孔爆破設計的目標為縱向上破壞頂板完整性，爆破終孔位置放在頂板厚度的中間位置；橫向上破壞頂板的連續程度，兩順槽布置切頂孔將頂板從順槽處切斷，使工作面頂板形成懸臂梁結構，同時施工工作面內部頂板的炮孔，破壞梁式結構，使其提前破斷、垮落。

2.2 深孔爆破鉆孔參數

2.2.1 炮孔直徑

深孔爆破頂板的炮孔直徑選擇在60～90 mm 之間。若炮孔直徑選擇太小，會導致裝藥困難，且爆破影響范圍較低，達不到預期爆破效果；若炮孔直徑太大，會導致封孔時封堵不嚴密，封泥漏出，進而引發“沖孔”的現象，存在較大的安全隱患。結合15301 工作面條件，炮孔直徑為Φ80 mm。

2.2.2 炮孔間距

結合工作面實際圍巖條件，通過數值模擬法模擬爆炸過程。模擬中采用直徑60 mm 的藥卷和直徑80 mm 的炮孔，兩個爆破孔模擬時，炮孔間距設置為5.0 m。模擬結果如圖2、圖3。

圖2 單孔爆破周圍裂紋

圖3 雙孔爆破孔裂縫疊加狀態

通過模擬結果可知，在炸藥起爆90 μs 后，炮孔周圍出現大范圍的破壞，多為次裂紋；起爆350 μs 后，炮孔四周出現4 條主裂紋，均為徑向。隨著爆破應力波的繼續傳遞，主次裂紋繼續向四周擴展，其中次裂紋主要向隨機方向擴展，主裂紋主要沿徑向擴展，局部偏向具有一定隨機性。爆破結束后，裂紋擴展隨之終止，徑向主裂紋的平均擴展長度為2.48 m。雙孔起爆時，主次裂紋的條數較單孔爆破時增多，且兩個炮孔間的裂紋能夠形成貫通。因此，當藥卷直徑為60 mm、炮孔直徑為80 mm 時，5.0 m的炮孔間距可以滿足工作面爆破放頂的需求。

2.2.3 炮孔深度

炮孔深度需根據工作面的賦存條件及放頂要求進行確定，結合以往類似工程經驗，確定炮孔深度不超過70 m，避免裝藥時出現“卡孔”，同時便于現場打鉆施工。

2.2.4 封孔長度

炮孔封孔時需保證封堵嚴實，保證爆破裂紋向預定范圍擴展，并防止孔口出現拋擲漏斗的現象。深孔爆破時，封泥長度不得小于孔深的1/3。

2.2.5 爆破超前工作面距離

為避免煤巖體在支承壓力的作用下出現塌孔的現象，打孔、裝藥、爆破均要避開工作面支承壓力的作用范圍。同時爆破后讓支承壓力對煤巖體進行二次破碎，達到較好的破碎性能，以致使頂板破壞。

工作面的超前支承影響范圍一般在30～60 m，因此，深孔預裂爆破需要超前工作面至少40 m。

2.3 炮孔布置方案

根據探明的頂板柱狀圖，鉆孔終孔位置要穿過頂板的含礫石粗砂巖巖層，由于鉆孔長度、角度過高將不易裝藥，且現場鉆機無法施工45°以上的鉆孔，因此將炮孔垂高定為35 m。

工作面切巷及兩順槽施工深孔爆破炮眼如下：

切巷布置兩排鉆孔，前排E 組鉆孔布置8 個，鉆孔傾角45°，鉆孔長度50 m，垂直高度36 m，炮眼直徑75 mm，間距5 m，偏向主運順槽方向，水平方向與切巷平行，開孔位置距離切巷后幫1 m，用于切斷頂板覆巖關鍵層含礫粗砂巖；后排F 組鉆孔布置10 個，鉆孔傾角30°，長度30 m，垂高15 m，主要爆破煤層及直接頂粉砂巖，炮眼直徑75 mm，間距5 m，偏向主運順槽方向，水平方向與切巷平行，開孔位置距離切巷后幫1 m。

工作面兩順槽各布置了18 組炮眼，每組3 個，共計27 個。為達到將工作面頂板切斷的目標，每組鉆孔間隔5 m。第一組鉆孔距離工作面10 m，處理50 m 范圍內的頂板。所有炮孔的參數見表1。

表1 爆破炮孔參數表（每組數量）

3 深孔爆破工藝

3.1 裝藥工藝

為防止殘炮、拒爆現象，凹槽可保護線纜等不被拉斷，確保所有啟動劑完好。所有“炸藥”采用爆破筒填裝，筒規格Ф63 mm（炸藥可按Ф32 mm），將炸藥填入“凹槽”筒內，每節凹槽筒長2 m，再向炮孔內填送炸藥。

為了防止深孔爆破過程中拒爆、殘爆的產生，每2 個爆破筒安裝一個起爆藥劑，每米裝入藥量約2.2 kg。

3.2 起爆工藝

通過串聯的方式將各組爆破筒中的雷管相連，爆破筒之間再進行大串聯，即每個炮孔通過串聯的方式依次起爆。采用精密測電阻起爆器，防止出現炮孔拒爆的現象。為提升效率，也可一次同時起爆2～4 個炮孔。

4 應用效果分析

為分析15301 工作面堅硬頂板爆破卸壓效果，在工作面上部、中部及下部共計布置15 個監測站，對爆破前后工作面的支架阻力進行監測分析。監測結果如圖4、圖5。

圖4 爆破前支架工作阻力

圖5 爆破后的支架工作阻力

由圖4 可知，對頂板進行深孔爆破前，工作面液壓支架的整體工作阻力較高。上部監測區域支架最高工作阻力達到了37.4 MPa，中部監測區域支架最高工作阻力達到了45.7 MPa，下部監測區域支架最高工作阻力達到了51.5 MPa。

由圖5 可知，對工作面頂板實施深孔爆破技術后，上部監測區域支架最高工作阻力為28.4 MPa，中部監測區域支架最高工作阻力為25.1 MPa，下部監測區域支架最高工作阻力為26.5 MPa，較未爆破前總體降低了約30%，說明該技術方案有效切斷了厚硬頂板的應力傳遞，卸壓效果顯著。

5 結論

為解決15301 工作面堅硬頂板垮落不及時造成懸頂面積大，進而引起礦壓顯現劇烈的問題，提出了深孔預裂爆破強制放頂技術。通過理論分析及數值模擬對炮孔直徑、炮孔間距、炮孔深度及封孔長度等參數進行了確定，并對工作面開切眼及兩順槽的爆破鉆孔布置進行了設計，為避免塌孔，預裂爆破至少超前工作面40 m 施工?，F場應用結果表明，對工作面頂板實施深孔爆破技術后，工作面支架工作阻力總體降低了約30%，卸壓效果顯著。