薄煤層工作面切頂爆破鉆孔參數的研究

王耀東

（山西晉煤集團沁秀公司岳城煤礦， 山西 晉城 048006）

引言

預裂爆破是無煤柱開采技術中關鍵環節之一。目前井下常用爆破技術為光面爆破。由于薄煤層工作面厚度較小不均，節理構造較多，使用光面爆破時影響范圍大，藥量不易控制，爆破面成型差，不能有效達到切頂效果。本文以天安公司朝陽煤業91310工作面為工程背景，采用了聚能管裝藥預裂爆破，并對相關參數進行了深入研究，具有一定的借鑒意義。

1 現場概況

91310 工作面西面為天安公司朝陽煤業九一盤區大巷，北面為91308 工作面，尚未開采；東面為礦界；南面為村莊。工作面煤層穩定，總體呈一單斜構造，煤層傾角3°～5°；工作面內無陷落柱。91310工作面采用長壁、后退式一次采全高綜合機械化采煤方法，全部跨落法管理頂板；由東向西方向回采。采用“兩進一回、Y 型”布置方式，工作面走向長度為371.2 m，推進長度為170 m；煤層厚度平均1.64 m。巷道設計斷面為矩形，長度374.6 m，沿9 號煤層底板布置，凈寬4 m，凈高2.2 m，凈斷面8.8 m2；掘進寬度4.2 m，高2.3 m，掘進斷面積為9.66 m2。工作面位置如圖1。

切頂卸壓巷道位于91220 巷，巷道煤層直接頂為3.08 m 厚的泥巖，老頂為2.76 m 厚粗粒砂巖；直接底板為0.97 m 厚K4 石灰巖，老底為3.92 m 厚泥巖。91310 工作面頂底板巖性及特征如表1 所示。

2 參數設計

2.1 鉆孔位置

根據切頂卸壓留巷技術原理，鉆孔位置（爆破鉆孔與回采幫距離）S越小越好，但由于頂板鉆機需要作業空間和方便頂板鉆機施工等客觀因素，鉆孔位置S通常需要取一定數值[1]。結合91220 巷設備布置及鉆機施工以及后期棚腿安裝等情況，確定S=200 mm。如下頁圖2 所示。

圖1 91310 工作面巷道布置及留巷位置圖（單位：m）

表1 91310 工作面頂底板巖性及特征表

2.2 切頂高度

91220 巷預裂切頂高度分別通過理論計算和數值模擬計算確定。在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，按煤層最大厚度1.91 m，由于直接頂板為3.08 m厚層狀泥巖，碎漲系數小，計算得理論切縫高度6.4 m。

利用FLAC3D 建立三維實體模型，模擬所采用的預裂切頂高度分別為5 m、7 m 和10 m，結果如圖3。

圖2 91220 回風巷鉆孔位置示意圖

圖3 不同預裂切頂高度下的位移場和應力場

從不同預裂切頂高度豎向位移場可以看出：

1）頂板預裂切頂高度5 m 切縫時，切頂面兩側位移區別不大，留巷頂板、兩幫圍巖均存在較大變形；

2）7 m 和10 m 切縫時，切頂面兩側位移明顯變化，但10 m 切縫時，留巷頂板及兩幫位移較7 m 切縫時大。

從不同預裂切頂高度豎向應力場可以看出：

1）頂板預裂切頂高度5 m 切縫時，回采后留巷順槽左側存在明顯應力集中區，應力集中區范圍較大，應力峰值較大，且集中區比較靠近順槽左幫；

2）7 m 和10 m 切縫時，回采后留巷順槽左側應力集中區遠離巷道，其中，10 m 切縫應力集中距離及范圍大于7 m 切縫，但2 種方式在留巷附近應力峰值都較小，為低應力區。

綜上可知：當切頂高度為5 m 時，直接頂與采空區頂板存在較大應力傳遞，不易留巷；當切頂高度為7 m 左右時，切頂面還存在一定應力積聚，預裂時不易全部切斷；當切頂高度大于10 m 時，切頂厚度過大會導致留巷頂底板圍巖回轉擠壓，影響留巷效果。結合模型數據中91310 工作面開采條件可知，最佳頂板預裂切頂高度應為7 m。

結合理論計算和數值模擬計算，最終確定切頂高度為7 m。

2.3 鉆孔傾角

根據以往經驗和裝藥施工難易程度，采高M與預裂鉆孔角度α（鉛垂方向偏向采空區）存在如下關系[2]：

1）當開采高度M≤1 m 時，預裂鉆孔角度α 取20°；

2）當1 m＜M≤3 m 時，α 取15°；

3）當3 m＜M≤5 m 時，α 取10°。

朝陽礦91310 工作面平均采高為1.64 m，根據經驗預裂鉆孔角度α 取15°。

鉆孔傾角α 要考慮頂板是否有利于鉆機施工、鉆孔裝藥、切縫效果、裝藥量等因素。結合91220 回風巷頂板基本頂厚度及鉆機的施工情況，確定鉆孔傾角α=15°，切縫鉆孔長度為7.3 m。

2.4 鉆孔直徑和間距

礦井工作面頂板爆破預裂切縫鉆孔一般根據現場條件、鉆孔設備等因素確定，一般情況下鉆孔間距為10～15 倍的鉆孔直徑[3]。綜合頂板巖性、頂板爆破預裂切縫效果、打眼速度等因素，擬采用組合邁步式架柱鉆機，配套鉆桿直徑42 mm，鉆頭直徑52 mm，確定鉆孔直徑d=52 mm，鉆孔間距L采用500 mm、600 mm、700 mm 三種方案試驗。最終通過現場鉆孔預裂爆破的窺視效果，確定最佳的鉆孔間距為500 mm。

3 現場效果及結論

在91220 巷道超前段進行了預裂爆破，伴隨著工作面回采，直接頂圍巖按設計要求基本垮落，爆破面圍巖成型良好，無明顯炸坑出現，對圍巖損傷小。說明采用聚能管爆破，鉆孔深度為7.3 m、開孔距巷幫200 mm，傾角15°、直徑52 mm、間距500 mm 能夠有效實現切頂預裂，保證工作面切頂效果。