22051 巷頂板爆破切頂卸壓技術研究

乜盟宰

（晉能控股煤業集團晟泰青洼煤業，山西 臨汾 043500）

為節約煤炭資源，延長礦井服務年限，必須減小煤柱尺寸[1]。

青洼煤業22032 巷采用沿空掘巷技術留設5 m小煤柱，但小煤柱受工作面回采壓力影響較大，鄰近工作面的側向支承壓力和現采工作面的超前壓力在煤柱上方疊加引起應力集中，導致留設的小煤柱被壓酥破壞，極易引發巷道圍巖大變形，巷道維護成本高[2-3]。因此，提出了針對綜采工作面沿空掘巷的頂板爆破切頂卸壓技術，將煤柱支承壓力釋放、轉移至其他區域，從而改善巷道應力環境。

1 工程概況

青洼煤業2205 工作面開采2 號煤，煤層中夾0～1 層夾矸，傾角為4.3°～5.4°，平均4.85°，硬度f=2.7～3.2，煤層均厚4.2 m，穩定可采。基本頂為泥巖，厚3.25 m；直接頂為粉砂巖，厚4.0 m；直接底為泥巖，厚1.5 m；基本底為粉砂巖，厚7.0 m。2205 工作面南部為2203 工作面，22032 巷采用沿空掘巷技術留設5 m 小煤柱。為切斷2205 工作面頂板側向支承壓力傳遞，為沿空掘巷創造條件，在22051巷進行頂板爆破切頂卸壓，巷道布置如圖1。

圖1 巷道布置圖

2 爆破切頂卸壓技術研究

為保證沿空掘巷效果，減弱和轉移工作面側向支承應力對掘巷的影響，提前在22051 巷切頂卸壓爆破，切斷頂板應力的傳遞。

2.1 爆破參數設計

（1）鉆孔角度

鉆孔傾角α是指在巷道斷面圖中鉆孔與豎直方向的夾角，傾角β是指在巷道中線剖面圖中鉆孔與水平方向的夾角。傾角α略偏向采空區能夠縮短煤柱上方頂板懸臂梁長度，減少對煤柱上方頂板破壞。傾角β過小需要增加爆破孔深度及炸藥量，過大則給快速裝藥操作造成很大的困難。考慮鉆機施工條件等因素，設計α=10°、β=75°，鉆孔開口位置在距煤柱幫0.5～1.0 m 處。

（2）鉆孔直徑和間距

所選炸藥直徑Ф45 mm，結合工作面頂板巖性、深孔爆破預裂經驗以及施工進度等要求，設計鉆孔直徑D=75 mm。在施工鉆孔時，選用Ф75 mm 的鉆頭、Ф=63 mm 的鉆桿，鉆孔間距為2 m，可根據具體爆破效果作相應調整。

（3）切頂高度

表1 2205 工作面頂板上覆巖層分布表

根據2205 工作面頂板堅硬巖層分布，經過進一步分析得出， C5 粉砂巖為主關鍵層，切頂高度需超過主關鍵層，切斷22051 巷上方與頂板主關鍵層聯系，才能起到卸壓作用。因巷道高度為2.7 m，頂板上有約1.5 m 厚的頂煤，因此爆破垂直切頂高度應為h=1.5+4.0+3.25+2.5+4.0+0.13+2.7=18.08 m。結合鉆孔傾角β=75°，爆破鉆孔深度（斜長）為H=18.08/sinβ=18.08/sin75°=18.72 m，鉆孔布置如圖2。

（3）裝藥密度與裝藥結構

炸藥為礦用三級乳化炸藥，炸藥直徑 45 mm，長L=500 mm，重量m=0.8 kg。根據工程經驗，不耦合系數K的合理范圍為1.30 ＜K＜1.80。22051巷頂板爆破預裂鉆孔直徑d=75 mm，礦用三級乳化炸藥直徑45 mm，因此不耦合系數K=75/45=1.67，符合要求。

根據《煤礦安全規程》規定，深孔爆破封孔長度不低于孔深的1/3。因此設計裝藥長度12 m，封孔長度6.72 m。一般爆破工程中，泥巖裝藥集中度取0.75 kg/m，細粒砂巖裝藥集中度取1.3 kg/m，據此計算裝藥量為2.34×0.75+9.53×1.3=14.14 kg，共計使用18 根藥卷。爆破鉆孔內采用不耦合方式間隔裝藥，采用雙雷管，雙導爆索引爆，每一根導爆索均采用瞬發電雷管起爆，2 個雷管采用并聯連接。

圖2 切頂鉆孔布置示意圖

2.2 爆破快速裝藥技術

（1）裝藥前準備工作

為避免因塌孔引起裝藥安全風險，每次裝藥前必須對炮孔的狀況進行確認，設計了便于操作的探孔組合桿，如圖3。探桿由兩部分組成：探頭長度400 mm，木制，頂端為陀螺型，以方便操作；探桿為DN15 鋼管加工，每節1 m，用接箍連接。

圖3 探桿示意圖

（2）裝藥方式

設計了PVC 材質帶有雙向聚能穴的爆破管。該爆破管由主體和滑槽蓋板組成，斷面為橢圓形。裝藥時將乳化炸藥兩端剪開，連炸藥包裝皮一起按壓進入聚能管，扣上蓋板完成裝藥。該方式省時省力，安全系數和裝藥效率大大調高。

（3）安裝方式

聚能管之間采用連接件相連，快捷方便，接口位置安裝“十字”型倒刺，防止聚能管在安裝過程中下墜。以上措施奠定了快速裝藥的基礎。

3 現場試驗及效果

3.1 現場施工組織

采用“三八”制作業，每班8 h，每班3 人。采用快速裝藥技術后，炸藥可一次性裝藥完畢，然后整體推送進爆破孔。單孔裝藥時間約6 min，較傳統炸藥安裝方式時間縮短了70%以上。

3.2 煤柱應力觀測

（1）測點布置

為掌握煤柱內部應力變化，對小煤柱進行鉆孔應力監測，共布置7 個測點，7 個測點深度分別為1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m，測點間距為5 m。

圖4 煤柱應力變化圖

（2）煤柱應力觀測分析由圖4 可知，沿工作面傾向，小煤柱內垂直應力變化隨測點距煤柱幫距離的變化而變化，峰值基本出現在2.5 m 范圍處，5 m 煤柱應力分布較均勻，承載力較強[4]。

3.3 巷道變形觀測

圖5 22032 巷位移變化圖

在沿空掘巷22032 巷布置表面位移測站，由圖5 可知，22032 巷開挖后約20 d 左右圍巖變形趨于穩定，最終22032 巷頂板沉降值不超過100 mm，底鼓量不超過150 mm，兩幫移近量不超過200mm，巷道變形量較小，滿足巷道正常使用要求。

4 結論

（1）根據青洼煤業工作面頂板條件進行了爆破切頂卸壓的鉆孔設計、切頂高度設計、裝藥設計等，并提出了爆破快速裝藥技術。該技術省時省力，安全系數和裝藥效率大大提高。

（2）采用爆破切頂卸壓技術有效轉移和釋放了煤柱支承壓力，小煤柱應力分布較均勻，承載力較強。沿空掘巷22032 巷頂板沉降值小于100 mm。底鼓量不超150 mm，兩幫移近量不超過200 mm，巷道變形量較小，爆破切頂卸壓效果顯著，確保了沿空掘巷的成功。