堅硬頂板采煤工作面深孔爆破卸壓技術應用

趙志營(沛縣大屯礦區中大注漿工程有限公司，江蘇 徐州 221000)

1 現場概況

孔莊煤礦是大屯煤電集團下屬生產礦井，主采3# 煤層，目前施工的4315 綜放工作面位于四盤區大巷以南，4313 工作面以西，4319 和4321 工作面以東，礦界以北。煤層平均厚度約6.0 m，工作面可開采長度達312 m，工作面采用“兩進一回”型布置方式，順槽巷道均采用錨桿錨索及菱形金屬網、W 鋼帶聯合支護。據現場觀測，目前工作面端頭懸頂面積達到25 m2，綜放工作面端頭懸頂面積達到20 m2。為有效解決端頭懸頂問題，針對性改善相鄰巷道維護現狀，開展工作面頂板深孔爆破卸壓技術研究顯得十分必要。

2 技術方案

2.1 技術原理

深孔爆破預裂卸壓原理如圖1 所示。圖中，深孔爆破預裂卸壓技術是利用頂板圍巖“抗壓怕拉”的性質，在順槽巷道煤柱側施工爆破孔，利用聚能管定向精準爆破方式，使頂板圍巖沿設計方向縱向爆破，形成定向張拉裂縫[1]，使頂板圍巖沿設計方向整體垮落，達到卸壓的目的。

圖1 爆破預裂卸壓原理示意圖

2.2 現場試驗

首個深孔爆破預裂施工區域選擇4315 綜采工作面43153 巷，自停采線向前方1 200 m 范圍。瓦斯高位鉆場設計在43152 巷2#、8#、13# 橫川口，仰角穿過43153 巷進入4315 工作面，終孔落在工作面頂板上方40 m 左右位置，終孔位置距43153 巷水平距離16 m。考慮到瓦斯高位鉆孔對爆破的影響，在瓦斯鉆孔前后各5 m 范圍不進行爆破施工。

2.2.1 孔傾角

為保證爆破切頂效果，需要綜合考慮頂板圍巖特性、基本頂懸頂長度和爆破孔深度等。在圍巖特性確定的情況下，基本頂懸頂長度要求越小越好，此時鉆孔傾角應沿法線位置箱采空區偏移[2]，這樣既可以保護煤柱效果，也能最大限度減小懸頂面積。但由于鉆機尺寸及現場爆破裝藥等因素限制，在保證頂板圍巖上方位置不變的情況下，鉆孔傾角設計為75°。

2.2.2 孔位置

在巷道頂板施工爆破孔，位置如圖2 所示。

圖2 鉆孔位置示意圖

在巷道頂板適當位置施工爆破鉆孔，為保證切縫效果，當鉆孔位置緊貼煤柱幫、鉆孔傾角為0°時，爆破切頂效果最為理想，資源回采率最高。結合現場頂板定向鉆機作業空間和鉆機尺寸，鉆孔位置最終確定為700 mm。

2.2.3 破高度

對堅硬頂板而言，偽頂和直接頂是影響圍巖結構和支撐壓力的主要部分。尤其是采空區直接頂，硬度較高不易斷裂，其自重和載荷將轉變為側向支撐壓力，直接作用于采空區煤幫，最終導致巷道變形及片幫等問題。因此在確定爆破高度時，應選擇將全部直接頂直接垮落，及爆破高度為偽頂和直接頂的全部高度。直接頂高度計算公式如式(1) 所示：

式中：M為巷道基本頂高度(m)；h為綜采工作面采高(m)，結合現場取6.3 m；Sa為工作面巖梁觸矸處沉降系數，取值范圍為0.15～0.25；結合現場取值0.2；Ka表示巖梁觸矸處冒落巖層碎漲系數，取值范圍為1.3～1.5；結合現場頂板巖性取1.3。

代入公式計算，M=20.33 m，因此爆破高度選為20.33 m。

2.3 爆破參數

2.3.1 藥規格

結合頂底板實際情況，選用礦用三級乳化炸藥，炸藥直徑φ=45 mm，長l=500 mm，重量m=0.8 kg。該乳化炸藥以無機含氧酸鹽水溶液為分散相，以不溶于水的可液化的碳質燃料為連續相，借助乳化劑的乳化作用和敏化劑(包括敏化氣泡) 的敏化作用而制成的一種油包水(W/O) 型乳脂狀混合炸藥，其爆炸性能好，威力大，爆轟感度高而機械感度低。

2.3.2 耦合系數

結合現場頂板巖性和巷道地質資料，需要對爆破不耦合系數進行安全評估，公式如式(2) 所示。

式中：K為不耦合系數；安全范圍為1.3～1.8；D為切頂巷道爆破孔直徑，根據現場要求為D=80 mm；φ為礦用三級乳化炸藥直徑，此時選取φ=48 mm。

代入公式計算，得不耦合系數為1.67，符合安全評估條件。

2.3.3 藥量

《煤礦安全規程》規定，深孔爆破時封孔長度不低于孔深的1/3[3]。爆破高度為20.33 m，現場采用的為單根2 m 的聚能管，擬采用10 節聚能管，其中封孔段3 節，其余裝藥按照礦井爆破工程集中度標準，擬共計采用20.8 kg。本次方案根據以往深孔爆破施工經驗及頂板巖性設計裝藥量20.8 kg，共計使用26根藥卷。根據前期爆破試驗效果，及頂板結構的變化逐漸調整裝藥量。

3 現場效果

對43153 工作面推進120 m 前后進行了深孔爆破卸壓，并對120#、130#、140# 支架的工作阻力變化情況進行為期48 天的觀測周期，通過觀測端頭支架工作阻力，對比爆破施工前后支架載荷變化，以及分析頂板深孔爆破預裂對頂板周期來壓步距、來壓強度的影響。現場監測支架分布如圖3 所示。

圖3 監測支架分布示意圖

由此得出三個支架工作阻力和工作面推進距離關系如圖4 所示。

圖4 深孔爆破卸壓前后支架阻力變化圖

由圖可知，當工作面周期來壓顯現，試驗支架所承受的最大平均工作阻力位39.1 MPa，爆破卸壓后，試驗支架的平均工作阻力降至26.9 MPa，支架工作阻力顯著下降，且隨著工作面推進，工作阻力最大值逐漸減小，工作面周期來壓壓力逐漸放緩，切頂卸壓效果明顯。

4 結語

綜上可知，在孔莊煤礦43153 工作面順槽巷道正前16 m處使用深孔爆破切頂卸壓技術，對堅硬頂板實行深孔爆破，鉆孔傾角設計為75°，鉆孔位置為距巷幫700 mm，爆破高度選為20.33 m，共計使用26 根藥卷，裝藥量20.8 kg，爆破卸壓后，支架工作阻力顯著下降，工作面周期來壓壓力逐漸放緩，說明深孔爆破卸壓有效改變了頂板上方圍巖的應力分布，減小了端頭懸頂面積，實現了堅硬頂板條件下的安全回采。