葫蘆素煤礦21406 回采工作面爆破切頂參數優化設計

齊 佩

（中天合創煤炭分公司葫蘆素煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017212）

我國煤炭80%以上屬于井工開采，煤炭現開采難度增加，面臨著各種安全問題和技術難題，其中沖擊地壓是最主要的災害之一[1-5]。為了解決深部開采沖擊地壓問題，眾多學者通過改善頂板條件來解決沖擊地壓，治理的核心理念是減少沖擊的頻數或者減弱沖擊的強度。切頂爆破是現場采用的主要方法，但需要根據具體條件優化切頂爆破參數，保證回采面安全高效施工。

1 工程概況

1.1 工作面布置

21406工作面位于葫蘆素煤礦工業廣場西南側，運輸巷對應地面位置有2 處房屋、3 處魚塘。井下位置：21406 工作面的東側是四盤區輔助運輸大巷，西側為井田邊界線，南側為21407 工作面，北側為240 m 保護煤柱。如圖1。

圖1 21406 工作面概況

21406 工作面為四盤區第二個回采工作面，位于四盤區中部，工作面長300 m，有效推進長度3085 m，工作面單巷布置。21406 工作面地面標高+1302～+1311 m，井下標高+624～+658 m，平均埋深約650 m。21406 工作面所采煤層為2-1 煤層，厚度2.95～5.27 m，平均厚度約為4.0 m，煤層結構簡單，一般含1 層0.2～0.4 m 厚的夾矸，煤層傾角1°～3°，采用綜合機械化一次采全高，全部垮落法處理采空區頂板。截至2021 年10 月18 日，已回采1690 m。

1.2 頂底板條件

根據地層的巖性巖相特征判斷，安定組地層巖性由細～粗砂巖、砂質泥巖、粉砂巖組成，埋藏較淺，裂隙發育。21406 工作面煤層及頂底板條件見表1。

表1 21406 工作面頂底板條件

2 切頂爆破分析

2.1 切頂爆破原因

呼吉爾特礦區僅有葫蘆素煤礦開采2-1 煤層。根據葫蘆素煤礦提供的礦壓顯現記錄，該煤層發生過1 次輕微沖擊地壓顯現事件。

21406 工作面均為全煤巷道掘進，受開采深度、褶曲、斷層、沖刷帶等形成的高靜載應力，采掘擾動、相鄰采空區等形成的高動載應力，以及沖擊傾向性煤層、“兩硬一軟”煤巖條件等因素的影響，初步預測21406 工作面在回采期間具有發生沖擊地壓的風險[6]。

21406 為實體煤回采工作面，且21406 工作面回風巷與21405 采空區之間留設240 m 煤柱，所以回風巷側暫不設計爆破孔。21406 工作面回采期間，超前工作面300 m 在運輸巷內對頂板實施縱向預裂卸壓，既能通過減小工作面來壓步距來緩解本工作面礦壓，又能營造利于21407 沿空掘巷維護的頂板結構。

2.2 頂板巖層結構分析

選取21406 工作面運輸巷附近的HK32、HB7、H15 鉆孔柱狀圖分析工作面頂板巖層結構。HK32 頂板上方存在14.46 m 的中粒砂巖和13.37 m的細粒砂巖；HB7 頂板上方各巖層厚度均較薄，不存在厚度超過10 m 的厚硬巖層；而H15 頂板上方的中粒砂巖厚度達到了22.46 m。整體分析可知，21406 回采面運輸巷頂板巖層結構變化較大，建議在爆破參數設計前應優先間隔一定距離取芯，在探明巖性的基礎上再進行爆破參數設計。

3 頂板爆破預裂卸壓參數設計

3.1 初始爆破參數設計

截 至2021 年9 月，21406 運 輸 巷 距 離 切 眼0～917 m 未施工爆破斷頂，距離切眼917～2567 m 已爆破斷頂。其中距離切眼917～1486 m 爆破參數見表2；距離切眼1486～2567 m 施工參數孔深減小為35 m，其余參數不變；距離切眼2080～2274 m 已經打了鉆孔暫未進行爆破。

每10 m 布置1 個縱向切頂鉆孔，鉆孔布置方式如圖2 和圖3，爆破參數見表2。實施切頂卸壓的21406 需要強化超前輔助支護。

圖2 初始爆破鉆孔平面圖（m）

圖3 初始爆破鉆孔剖面圖（m）

表2 初始切頂爆破參數表

3.2 爆破參數設計優化

由于在21406 運輸巷距離切眼1486 m 附近施工的5 個爆破孔連續出現塌孔現象，故對附近的相鄰鉆孔進行窺視，窺視孔施工深度50 m，傾角60°，孔徑75 mm。

根據之前施工人員現場探孔情況反饋，在37～38 m 左右有塌孔現象，存在推桿推不動情況。現對窺視孔探孔情況進行分析：

分析鉆孔整體巖層變化范圍，大致判斷出高位頂板塌孔處巖性變化范圍為40～50 m。如圖4。

圖4 巖層狀態

根據現場實際窺視情況可以看出，10～20 m 處巖性有變化，30～40 m 處巖性發生變化。窺視情況顯示，頂板巖層到34 m 表面開始由細變粗直至47 m 處出現破碎，由此可以判定在34～50 m 之間頂板巖層過渡變化為泥巖，是造成塌孔的主要原因，具體情況如圖5。

圖5 高位巖層破壞狀態

通過窺視孔整體情況分析可知，34～50 m 頂板巖層過渡變化為泥巖，因此可將初始爆破設計參數的孔深由50 m 變更設計為35 m，其他參數不變，詳見圖6、圖7、表3。

圖6 優化后爆破鉆孔平面圖（m）

圖7 優化后爆破鉆孔剖面圖（m）

表3 優化后切頂爆破參數表

3.3 頂板爆破預裂鉆孔施工工藝

21406 回采期間，21406 運輸巷里程2250 m 至回撤通道口處結束，主要工序包括：準備鉆機→施工鉆孔→正向裝藥→爆破孔封孔→爆破。

（1）采用ZDY4200LPS 煤礦履帶式全液壓坑道鉆機配套Φ75 mm 的鉆頭及鉆桿，按照設計方案的技術參數要求，操作完成鉆孔施工。

（2）裝藥：現場制作被筒、制作炮頭，連接雷管腳線、驗孔、正向裝藥。

（3）封孔：使用水泥封孔劑封孔（Φ63 mm×500 mm）。每推進一袋后使用專用炮棍搗實，直至封孔到孔口位置。

（4）起爆：每次爆破作業前，爆破工必須做電爆網路全電阻檢測，嚴禁采用發爆器打火放電的方法檢測電爆網路。

4 結論

（1）結合現場實際情況，利用鉆孔窺視技術現場試驗，對比分析孔壁裂隙和頂板巖性的類別。由此次窺視可得，高位頂板上覆巖層到34 m 處表面開始由細變粗，直至47 m 處出現破碎，判定在34～50 m 之間頂板巖性發生過變化，34 m 處為巖層變化過渡帶，37 m 為砂質泥巖，該處泥巖是造成鉆孔塌孔的主要原因。

（2）通過調整爆破參數，找到最優爆破方案。爆破實現了定向預裂縫，切斷了頂板應力傳遞路徑，使頂板按設定高度切落，實現了既主動切頂又不破壞巷道頂板的目的，大大地減少了圍巖損傷，利于工程巖體的支護和穩定，降低了綜合成本，經濟和社會效益顯著。