大倾角工作面初次放顶设计与应用

唐金柱

(新疆焦煤集团艾维尔沟焦煤公司1930煤矿)

新疆焦煤集团艾维尔沟焦煤公司26111工作面走向长度2 000 m，平均倾斜长度90 m，开切眼长度93 m，煤层厚度为2.97～4.15 m，平均厚度3.2 m，煤层倾角25°～36°，煤层直接顶为6.22 m的粗砂岩，粗砂岩灰白色、坚硬，以石英为主，裂隙较发育。老顶为13.5 m厚砂砾岩，砂砾岩含鹅卵石，砂白色矿质胶结，顶板岩石自然状态下的单向抗压强度67.9～180.2 MPa，坚硬难冒。该公司初期使用粉状高威力铵锑炸药，采用超前预爆破方式进行坚硬顶板处理，取得显著成效。但随着国家民用爆破器材产业的不断发展，依照国家民爆产业政策停止生产铵锑类炸药，针对该公司所属矿井的坚硬顶板处理，采用煤矿许用乳化炸药替代粉状高威力铵锑炸药实施超前预爆破工艺。

1 顶板岩性特征

该工作面煤层直接顶为粗砂岩，厚度6.22 m左右，其上老顶主要由砂砾岩组成，厚度为13.5 m，为老顶主要承压层，单向抗压强度97.9 MPa(见表1)。

表1 煤层顶底板情况

2 采煤方法

26111工作面采用“走向长壁后退式综采一次采全高”采煤法，回采高度3.2 m。顶板管理方式为超前预爆破处理坚硬难冒顶板。工作面主要装备见表2。

表2 26111工作面主要设备配备表

注：工作面开切眼斜长93 m，倾角25°～36°。

3 参数设计

依据26111工作面顶板岩性特征及处理老顶主要承压层的目的，结合二级煤矿许用乳化炸药的特性，初次放顶设计采用双侧布孔方式，即在工作面运输和回风顺槽内同时布置钻孔。根据以往对6#煤层开采情况，回采工作面初次来压步距一般为20～28 m，对26111工作面而言，考虑采用乳化炸药的特性及煤层的顶板岩性，本次初次放顶步距取16 m。为加强工作面初次放顶效果，需要在开切眼内布置辅助初次放顶孔，同时在工作面煤壁前方布置辅助端头孔，以确保顶板能够正常、及时垮落。

1) 炮孔顶端装药高度h上的确定。针对老顶切断孔的顶端装药高度h上，以岩石爆破冒落后将采空区充填满为目的，根据岩石冒落后碎胀系数取1.3、回采高度取3.2 m，则：1.3×h上=3.2+h上，h上=10.67 m。

考虑老顶承压层的实际厚度，取老顶切断孔炮孔顶端装药高度h上=15 m，辅助老顶孔取h上=15 m。

针对端头切断孔及辅助端头孔顶端装药高度h上，考虑顶板冒落后形成自然平衡拱的两端高度将低于老顶切断孔的处理高度，取h上=12 m。

2) 炮孔下端装药高度h下的确定。炮孔下端装药高度应保障炮孔爆破不影响回采工艺要求，保证工作面不漏顶、不片帮，保证炮孔有足够的充填堵塞长度，根据上述原则确定h下=4 m(距煤层面)。

3) 炮孔水平转角α。

a) 老顶切断孔水平转角：

运输顺槽老顶切断孔α=70°(与运输顺槽轴线夹角)

回风顺槽老顶切断孔α=65°(与回风顺槽轴线夹角)

b) 辅助老顶孔水平转角：

运输顺槽辅助老顶孔α=70°(与运输顺槽轴线夹角)

回风顺槽辅助老顶孔α=65°(与回风顺槽轴线夹角)

c) 端头切断孔水平转角：

上、下顺槽均取α=20°(与顺槽轴线夹角)

d) 三角区控制孔水平转角：

上、下顺槽均取α=40°(与顺槽轴线夹角)

4) 炮孔在煤层倾斜面上的投影长度L投。

对于老顶切断孔，在煤层倾斜面上的投影长度，用下式计算：

L投=S-H

式中：

L投—老顶切断孔在煤层倾斜面上的投影长，m;

S—工作面倾斜长,m， 取93;

H—上、下顺槽老顶切断孔终端之间的距离m,取20。

因此，L投=93-20=73 m，考虑到上顺槽下向深孔钻进排岩粉困难等因素，上顺槽炮孔与水平面夹角应≥0°。

4 炮孔参数计算公式

1) 运输顺槽公式为：

a) 炮孔终端至水平面高度h：

h=(h上+L投·tanα′)·cosα′

b) 炮孔在水平面上投影长d：

g) 装药长度L1：h1=L-L2

h) 装药量Q：Q=L1×3.5 kg/m

2) 回风顺槽公式为：

a) 炮孔终端至水平面高度h：

h=(h上-L投·tanα′)·cosα′

b) 炮孔在水平面上投影长d：

g) 装药长度L1：L1=L-L2

h) 装药量Q：Q=L1×3.5 kg/m

由于封孔段长度小于L/3，为避免冲孔及提高爆破效果，封孔时必须在装药的下端增设堵孔水泥，长度为40 cm(其后再充填黄土及孔口水泥)。

5 各孔计算结果

根据炮孔参数计算公式，各孔参数计算结果见表3。

表3 各钻孔参数表

6 钻孔直径及装药直径

1) 炸药卷直径d1：(按每米装药量与药卷装药密度计算)

d1=60 mm

2) 钻孔直径d2：(取不偶合系数为0.67)

d2=90 mm

3) 每米炮孔装药量Qm:

Qm=3.5 kg/m

7 钻孔设备及爆破器材

1) 钻机：根据顶板岩性特征及爆破参数，选用SKZ-120A型潜孔钻机，其主要性能参数为：

适应岩种：f=6～8

钻具一次推进：1 000 mm

钻孔直径：90 mm

回转速度：60 r/min

使用气压：0.5～0.7 MPa

耗气量：7～8 m3/min

2) 冲击器、钻头及钻杆：根据所选钻机，选配直径90 mm的CIR-90冲击器、直径90 mm钻头。直径50 mm的钻杆(1 m/根)含在钻机设备内。

3) 封孔器：选用BQF-100型，受风压0.7 MPa，堵孔时向孔内输送黄土细砂。

4) 炸药：采用二级煤矿许用乳化炸药，防静电塑料壳包装，规格：直径60 mm，长度550 mm，单位重量3.5 kg/m，联结方式为丝扣联结式。二级煤矿许用乳化炸药的主要性能指标如下：

猛度≥10 mm

爆力≥250 ml

爆速≥3 200 m

殉爆距离≥30 mm

5) 导爆索：选用煤矿安全防水抗拉导爆索，其主要性能参数如下：

药量：12 g/m

外径：6.2 mm

爆速>5 500 m

抗热性能：置于50℃+3℃环境6 h，外观及性能不变。

防水性能：浸入水中1 m，1 h后导爆性能不变。

6) 雷管及发爆器：选用毫秒延期电雷管，利用MFB-100型电容式发爆器起爆。

8 结 论

通过设计计算，采用煤矿许用乳化炸药对坚硬难冒顶板进行深孔爆破处理，强制将顶板放下来，理论上是可行的,但在实际工作中还存在一下问题必须注意：

1) 所有炮孔同时起爆，炸药量大，安全警戒距离必须大于300 m。

2) 每一个炮孔在充填堵孔的主要工作结束后，孔口处应预留不小于0.5 m的空段，用于放置连接好的导爆索及毫秒延期电雷管，最后用黄土将孔口预留段封堵密实，防止毫秒延期电雷管及出露在堵孔水泥外的少量导爆索起爆时产生的火焰。

3) 穿过堵孔水泥的导爆索在起爆时会产生约d5 mm孔径的空洞，但由于炸药爆炸的瞬间会使中部充填的黄土细砂迅速被压缩密实，装药段产生的爆炸气体通道被切断，因而消除了空洞的影响。

收稿日期 2010-07-26

[1] 耿献文.矿山压力测控技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2002:135-138.