厚層堅硬頂板爆破弱化控制技術研究

王建偉

摘 要：本文基于厚層堅硬頂板的典型地質特征和理論分析結果，確定了垂向爆破弱化高度和循環爆破步距。通過頂板爆破弱化方案設計，將切眼拉槽爆破與兩巷超前深孔爆破弱化技術有機結合，設計了炮孔布置方式、鉆孔參數、鉆具、裝藥量及工器具等，形成了厚層堅硬頂板爆破弱化控制成套技術，并通過現場觀測，證實了該技術的合理性。希望本文的研究能對類似地質條件下工作面堅硬頂板管理提供借鑒。

關鍵詞：堅硬頂板;爆破弱化;垮落步距;爆破循環步距

中圖分類號：TD327.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）20-0087-03

Research on the Control Technology of Heavy Layer Hard Roof Blasting

WANG Jianwei1，2

（1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400037;2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400037）

Abstract： Based on the typical geological features and theoretical analysis results of thick hard roof， this paper determined the weakening height of vertical blasting and the cyclic blasting step By weakening roof blasting scheme design， pull cut blasting with two lane ahead of deep hole blasting weakening an organic combination of technology， this paper introduced the roof height， hole arrangement， drilling， drilling tool， design parameters control and instrument. A complete set of technical measures to reduce the control of hard roof blasting in thick layer was formed， and the rationality of the technical measures was confirmed by field observation. It is hoped that this study can provide reference for hard roof management of working face under similar geological conditions.

Keywords： hard roof;weakening blast;caving step distance;blast cycle step

隨著綜合機械化采煤技術的發展，高產高效工作面對爆破弱化處理的頂板管理技術提出了較高要求[1]。本文結合工程實際，基于厚層堅硬頂板的弱化方案分析、控制區域理論計算，有機結合切眼拉槽爆破和兩巷超前深孔爆破弱化技術，著重分析頂板處理高度、炮孔布置方式、鉆孔設計參數、鉆具、裝藥量及工器具、鉆具鉆桿及封孔等技術參數，并結合現場觀測，證實上述技術措施的科學合理性。

1 爆破弱化方案和控制區域分析

1.1 堅硬頂板爆破弱化方案

爆破弱化強制放頂措施一般可分為四類：循環式淺孔爆破、步距式深孔爆破、地面深孔爆破及超前深孔預裂爆破[2]。其中，超前深孔預裂爆破在兩巷或專用巷道（工藝巷）內施工，可實現生產與頂板管理平行作業，有利于工作面的高產高效，施工方便，簡單易行。

1.2 基本頂弱化控制區域分析

根據工作面生產需要，基本頂弱化處理應滿足兩個指標：一是基本頂能及時垮落并充滿于采空區，即需要在煤層垂直方向上保持一定的弱化高度;二是防止工作面壓架現象的發生[3]。為了保證基本頂垮落后能充分充填采空區，爆破的有效放頂高度應滿足垮落后的巖石碎脹充滿回采的高度。

某礦主采2#煤層，平均厚度4.43m，基本頂以中砂巖為主，硬度和抗壓強度較大，巖石破碎后體積碎脹系數取1.3，采高取4.32m，計算可得爆破有效放頂高度為14.4m。額定支護阻力下限取810kN/m3，控頂寬度取5.75m，直接頂充填系數取0.58，根據有關行業標準提供的頂板分類法，計算可得周期來壓步距為24.9m。因此，工作面爆破弱化垂直高度不得小于14.4m，循環爆破步距不得大于25m。

2 爆破弱化鉆孔設計

2.1 切眼處頂板爆破弱化設計

2.1.1 炮眼鉆孔設計。采用60mm鉆頭施工孔深為16m的1號孔，42mm鉆頭施工深度分別為9m和5m的2號、3號孔。每組炮眼排距3.0m，兩架一眼，炮眼布置如圖1所示。推進2個循環后裝藥、爆破、切斷頂板，選擇礦用乳化炸藥。

2.1.2 裝藥與封孔。直徑60mm的鉆孔裝藥時，采用內徑為50mm、管間用管接頭連接的PVC管作為炸藥載體，保證裝藥剛度，便于將藥包送入炮眼底部。工藝流程為：將PVC管沿直徑方向開切1/4的寬度，并運至施工地點;然后根據炮孔長度和封泥長度確定導爆索長度;最后將藥包和導爆索放入加工好的PVC管中，并用膠帶紙進行綁扎[4]。

裝炮孔時，采用炮棍將裝有藥包和導爆索的PVC管以及炮泥等裝入炮孔內，要求必須將藥包推至孔底。封孔時分步進行：第一步，先封至距炮孔孔口1.0m處;第二步，將雷管、導爆索捆綁牢固后塞入孔內空段后，再次封堵1.0m的空段。

在裝42mm鉆孔時，每次裝Φ35mm×180mm炸藥5～6卷，采用木制炮棍將藥包和導爆索裝入炮孔內。為確保炮眼內藥包完全引爆，炮眼采用耦合方式裝藥，采用雙雷管，雙導爆索引爆，導爆索采用瞬發電雷管起爆，2個雷管在孔外并聯連接，并在孔口處用刻有淺槽的木塞將其固定。

2.2 兩巷超前爆破弱化設計

2.2.1 炮孔布置及鉆孔設計。堅硬頂板兩巷深孔爆破的炮孔布置主要分為兩個部分：一個是切斷巷道幫上部與頂板的連接;另一個是切斷頂板與頂板的連接。運輸平巷和回風平巷每隔20m布置一組炮孔，每組為上下分層，每層4個炮孔，上層炮孔與煤層垂直距離為15m，下層炮孔與煤層垂直距離為10m，炮孔直徑為60mm。超前鉆孔布置如圖2所示。

2.2.2 兩巷超前深孔爆破位置。第一組深孔爆破預裂時間為：最優時間應在工作面開切眼前，若不能實施，可在工作面開切眼后未安裝液壓支架之前，亦可在工作面開切眼內安裝液壓支架后，工作面推進前。

后續組別深孔爆破預裂時間：深孔爆破預裂頂板鉆孔爆破時間或位置應在鉆孔孔口距工作面35m左右，當孔底位置離煤壁水平距離最小（10m）時，開始裝藥（若打孔速度較快，能超前工作面盡量超前），離煤壁9m時（對支架無影響的最小距離）起爆[5]。

3 實施效果考察

在工作面9#、18#、27#、36#、45#、54#、63#、72#和81#共9個液壓支架的前柱及后柱上各安設一臺CDW-60支架工作阻力記錄儀，用以監測工作面推進過程中頂板來壓情況。在距離切眼45m處布置第一個鉆孔應力計，鉆孔深度最大12m，最小5m，各孔間隔5m。在兩巷超前55m和80m處各布置2個巷道變形觀測點。

3.1 直接頂初次垮落情況

從支架阻力變化時程及現場觀測來看，直接頂初次垮落步距11.3m，支架最大平均阻力5 372kN，平均加權阻力4 128kN，來壓顯現不明顯。直接頂初次垮落后隨采隨垮，垮落體較破碎，偶有厚60cm、面積約10m2的塊體，支架后方3～4m處垮落高度超過支架3m。從兩端來看，支架后方7m處，頂板垮落高度為7～10m。由此推測，爆破充分增加直接頂破碎度及裂隙發育程度，垮落情況較好。

3.2 基本頂來壓情況

當工作面推進到34.79m時基本頂初次來壓，加權平均阻力4 282kN;第一次周期來壓平均步距23.59m，加權平均阻力4 379kN;第二次周期來壓平均步距18m，加權平均阻力3 764kN;第六次周期來壓平均步距23.44m，加權平均阻力3 728kN。

從基本頂三次來壓情況看，第一次周期來壓顯現和步距比第二次大，原因是第一次爆破孔的角度不正確，未實施爆破切頂;第六次周期來壓顯現比較強烈，原因是循環爆破步距由20m增大至40m。其間支架受到較大沖擊，少數支架存在卸壓現象。深孔爆破有效增加了直接頂及基本的頂破碎度及裂隙發育程度，緩解了來壓強度。爆破迫使直接頂隨采隨垮，減少頂板垮落時位的能轉化量，降低來壓時的動載系數[6]。

3.3 工作面壓力分布情況

3.3.1 工作面支架阻力分析。72號架平均加權阻力3 258kN，54號架最大平均工作阻力6 085kN，9號支架最大平均阻力4 052kN。可見，在工作面端頭40m內實施兩巷超前爆破可以弱化頂板強度，減少來壓步距，減弱來壓強度。工作面中部走向50m范圍內未爆破弱化，步距及強度較兩端大。

3.3.2 兩巷側向支撐壓力分布規律。根據兩巷鉆孔應力的測定數據，人們可以得出巷道兩幫的側向壓力峰值位置和影響范圍。回風平巷應力峰值在10m處，壓力為6.89MPa;運輸平巷應力峰值在6m處，壓力10.6MPa。

3.4 兩巷支撐及斷面收斂

兩巷在開采期間變形較小，巷道頂底板移近量在100mm左右，兩幫移近量在110mm左右。兩幫移近量與頂底板移近量相差不大。這主要是因為采深較小，原巖應力較小，開采煤層圍巖條件較好，巷道兩幫煤質較硬，巷道兩幫松動圈較小，同時采取上述頂板弱化措施，明顯改善了工作面及巷道的礦壓顯現強度。平巷兩幫及頂底板移近量如圖3所示。

4 結論

①基于上述關于頂弱化控制區域分析方法，確定工作面弱化垂直高度和爆破循環步距，能夠較好指導厚層堅硬頂板的爆破弱化區域規劃。計算確定的爆破弱化垂直高度不得小于14.4m，循環爆破步距不得大于25m，應用于本次厚層堅硬頂板的弱化區域規劃后，效果良好。

②工作面頂板爆破方案將切眼拉槽爆破和兩巷超前深孔預爆破弱化頂板有機結合，是科學合理的。實踐證實，爆破弱化覆蓋范圍內頂板來壓較為緩和，中部區域未能爆破弱化覆蓋，來壓顯現相對較為強烈。循環爆破步距的增大對工作面周期來壓步距影響較小（自20m增至40m），但對工作面來壓顯現影響較大。

需要說明的是，上述關于不同炮孔裝藥過程中采用的工器具，在現場施工中有效提高了頂板爆破弱化的施工速度和工效，為工作面高產高效環節的實施起到了關鍵作用。

參考文獻：

[1]朱志潔，王洪凱，張宏偉，等.多層堅硬頂板綜放開采礦壓規律及控制技術研究[J].煤炭科學技術，2017（7）：1-6.

[2]朱家勝，張兆威.基于水力壓裂法的補連塔礦初次放頂技術分析[J].煤礦安全，2018（2）：77-80.

[3]黃炳香，趙興龍，陳樹亮，等.堅硬頂板水壓致裂控制理論與成套技術[J].巖石力學與工程學報，2017（12）：2954-2970.

[4]楊俊彩.高壓水預裂強制放頂技術在神東礦區應用[J].煤礦安全，2017（1）：63-68.

[5]王金鑫.深孔預裂爆破在綜放工作面堅硬頂板控制中的試驗研究[J].煤礦安全，2018（1）：73-75.

[6]焦振華，王浩，盧志國，等.厚層堅硬石灰巖頂板深孔預裂爆破技術研究[J].煤炭科學技術，2017（2）：21-26.