預裂爆破切頂卸壓技術在放頂煤工作面的應用

崔建兵

(山西西山晉興能源有限責任公司，山西 興縣 033602)

隨著礦井開采強度的增加和規模的擴大，西山晉興能源斜溝煤礦21采區23105工作面形成孤島工作面，回采時受相鄰左、右工作面(23103、23107工作面)的采動影響，在巷道掘進期間、工作面回采期間可能會出現頂板破碎、裂隙、離層，幫部片幫，底板鼓起等現象，對巷道的使用造成影響，僅僅采取單純的加密錨桿錨索、W鋼帶串錨索補強加固措施起不到應有的效果，反而容易造成頂板巖體更加破碎，自身承載性能大幅度降低，不能徹底解決強烈動壓巷道支護問題，而且支護和維修費用高，影響礦井正常生產。13#煤相鄰工作面留設的煤柱為25 m(中-中)，考慮深孔預裂爆破切頂卸壓后，理論上可切斷動壓傳遞，有效減少相鄰工作面尤其是動壓的影響，因此，嘗試將相鄰工作面的煤柱縮小，計劃嘗試10 m煤柱( 幫-幫)，這樣將會有效提高煤炭回收率，減少資源浪費。

1 試驗工作面概況

工作面位于21采區回風上山北側，西側、北側為實煤區，東北側為原斜溝煤礦13#煤采空區，工作面蓋山厚度：142～354 m. 工作面位于店灣村東南側，東北部有麻堰塔溝，黃家溝橫穿工作面中南部，經實地調查，工作面上方地表無村莊、公路、電力等設施。

工作面煤層厚度為12.1～16.08 m，平均厚度14.35 m，煤層傾角7.9°～9.6°，平均8.8°，基本頂為中細粒砂巖，平均厚度4.49 m，直接頂為泥巖，平均厚度5.36 m. 直接底為泥巖，平均厚度3.45 m，基本底為砂質泥巖，平均厚度6.14 m.

工作面走向長度為3 400.5 m，采長為242.4 m，工作面可采儲量為1 303.6萬t. 目前，工作面已回采約為620 m，剩余約為2 780.5 m.

2 切頂卸壓技術施工準備及具體要求

2.1 爆破切頂卸壓的材料

1) 提供爆破所需的炸藥(一般為礦用三級乳化炸藥)、雷管、起爆器材、PVC管材、黃土(封孔用)、炮棍等材料。

2) 對爆破方案進行設計，自帶鉆機、封孔器及打鉆所需的相關設備及材料。

3) 配備一定數量的支護材料(錨桿及配套托片、錨索及配套托片、金屬網、鋼帶、單體液壓支柱及固安特注漿材料)，用于試驗工作面皮帶巷頂、幫破碎，壓力顯現時的巷道維護。

2.2 施工爆破鉆孔的設計

1) 施工鉆孔的間排距。

試驗工作面使用預裂爆破切頂卸壓技術，在皮帶巷煤柱幫側頂板上施工一排鉆孔(鉆孔分為炮孔及切縫孔)，炮孔與切縫孔間隔布置，間距為500 mm.

2) 施工鉆孔的孔徑及深度。

采用雙向聚能爆破預裂技術，將特定規格的炸藥裝在兩個設定方向有聚能效應的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設定方向上均勻受壓，而在設定方向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設定方向拉裂成型，實現被爆破體按設定方向張拉斷裂成型。

該爆破技術是在對比研究多種聚能爆破和定向爆破方法的基礎上發展起來的一種新型聚能爆破技術，施工工藝簡單，應用時只需要在預裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向對應于巖體預裂方向。爆轟產物將在兩個設定方向上形成聚能流，并產生集中張拉應力，使預裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預裂面。由于鉆孔間的巖石是斷裂的，爆破炸藥單耗將下降，同時由于聚能裝置對圍巖的保護，鉆孔周邊巖體所受損傷也降低，可以達到實現預裂的同時又保護巷道頂板。

使用d48 mm的專用鉆頭施工鉆孔;切縫孔及炮孔應該施工鉆進至基本頂中，23107開切眼頂煤厚度為8 m(不包括機頭過渡段45.6 m)；上覆直接頂為泥巖，平均厚度5.36 m；基本頂為中細粒砂巖，平均厚度4.49 m；按此計算，鉆孔深度為18 m. 切縫孔布置在巷幫與頂板夾角處，與鉛垂線夾角為15°，切縫孔間距為500 mm. 炮孔及切縫孔布置見圖1.

圖1 炮孔參數試驗方案圖

3) 施工鉆孔總工程量。

根據試驗工作面剩余走向長度(從開切眼開始，直至工作面停采線位置處)約為2 780 m，若按照試驗500 m巷道進行計算，炮孔及切縫孔在試驗工作面皮帶巷的布置形式見圖2.

圖2 試驗工作面切頂卸壓鉆孔布置示意圖

總計施工鉆孔米數：(500÷0.5+1)×18=18 018 m

2.3 裝藥

炸藥直徑、聚能管徑與炮孔直徑的選擇。聚能管徑與炮孔直徑兩者必須相互適應，設計選用d35 mm的乳化炸藥，聚能管內徑為36.5 mm、外徑d42 mm，炮孔d48 mm.

裝藥時，在聚能管中放置礦用三級乳化炸藥，每個聚能炮孔在裝藥前，先在切縫內從孔底聚能管開始連續裝藥，并安設雷管和引線，然后將引線穿過第二根聚能管，并將第二根聚能管與第一根聚能管用專用連接件連接，然后在第二根管內開始連續裝藥并安設引線，重復上述方法，依次完成全部聚能管裝藥，每個聚能管設置一個雷管。根據已完成的現場爆破試驗，結合理論分析(巖石堅固性系數、老頂跨落程度等)，基于現場已有材料,考慮既要保證切縫爆破效果和炮孔高利用率，又能確保爆破切面較光滑平整及切落頂板的完整性,最終確定炮眼孔深18 m，共安裝BTC-1500型聚能管10根，管長1 500 mm,每根聚能管裝d35 mm×200 mm藥卷5卷，在日常施工過程中,可以根據現場爆破效果及時調整裝藥量,孔口用黃土封孔，封孔長度不低于1 500 mm.

2.4 爆 破

要求持相關證件的專業人員根據具體的技術參數進行爆破，嚴格按照《煤礦安全規程》中井下爆破的相關內容進行。

3 深孔預裂爆破效果檢測

提前施工切頂卸壓爆破孔后，切斷了試驗工作面皮帶巷上覆頂板，有效降低了工作面回采時對東側的+700 m水平8#煤南翼輔助運輸大巷的動壓影響，避免由于采動來壓強度過大造成相鄰巷道頂板離層、破碎、出現裂隙冒落等現象，降低了巷道的維護工程量，保證了巷道的安全使用，具體爆破施工后出現的頂板垮落效果見圖3，圖4.

圖3 試驗工作面煤柱為25 m(中-中)巷道頂板垮落效果圖

圖4 試驗工作面煤柱更改為10 m(幫-幫)巷道頂板垮落效果圖

4 施工過程中存在的問題

1) 試驗工作面皮帶巷切頂卸壓鉆孔共計18 018 m，工程量大，施工質量要求高，必須具備專業素質的打鉆人員進行該項工程，且因試驗工作面皮帶巷布置運煤設備，打鉆時受作業空間影響，打鉆工作比較困難，打鉆設備的布置及挪移也不便利。

2) 斜溝煤礦煤層賦存為走向近南北，傾向西的單斜構造，工作面布置為東高西低，待試驗工作面回采結束后，采空區積水將主要積聚在皮帶巷，若考慮將其與23105孤島工作面材料巷煤柱縮小至10 m(幫-幫)，待掘進23105材料巷時探放試驗工作面采空區積水可能會存在一定的水害威脅，屆時需提前考慮探放試驗工作面采空區積水的方案。

3) 23101材料巷與東側的23103皮帶巷留設煤柱為12.5 m(幫-幫),根據斜溝煤礦23101工作面回采時的經驗，該工作面埋藏深，回采時受23103工作面采空區動壓影響強烈，使工作面材料巷端頭維護十分困難，原有的巷道支護破壞嚴重，為此將以往的超前支架更改為單體液壓支柱支護，支護難度增大，強度增加，對頂板的控制不利。

5 結 論

動壓巷道壓力的主要來源是采空區內靠近煤柱側頂板未完全垮落而形成懸頂，對煤柱產生側向壓應力從而影響巷道穩定，釋放動壓巷道的壓力來源是解決極困難巷道支護的有效途徑。采用深孔預裂爆破技術卸壓的方法控制強烈動壓巷道圍巖穩定，使強烈動壓巷道的問題得到徹底解決，對于降低斜溝煤礦巷道掘進、維護成本，緩解工作面采掘緊張局面，降低工人勞動強度，實現降本增效具有重要的現實意義。