综放孤岛面初采顶板爆破技术在唐安矿的应用

李亚利

(山西省煤炭职工培训中心，山西 太原 030012)

坚硬顶板条件下，运用综放开采技术回采时，采空区顶板易大面积悬空而不跨落，工作面推进到一定距离，采空区顶板突然跨落形成强冲击载荷，为了减弱冲击载荷的强度，基本顶初次来压前不实施放顶煤，造成初采期间煤炭回采率偏低［1，2］。如何提高综放面初采期间煤炭回采率，国内外学者已做了大量的研究，主要采用爆破弱化顶板，但是对爆破参数的选取以及方案的设计仍停留在经验阶段，尤其是深孔预裂爆破相关设计研究甚少。

通过对唐安煤矿煤层及其顶底板岩石力学参数的测定，确定出深孔预裂爆破的炮孔长度、炮孔间距、装药结构、联线方式等爆破参数，根据相关爆破参数，设计出3407综放面深孔预裂爆破方案，并进行了现场应用。

1 工作面概况

唐安煤矿位于山西省高平市，主采3#煤层，全部为孤岛面开采，目前正在开采3407工作面。3407工作面位于752水平四盘区，工作面采用倾斜长壁后退式综合机械化放顶煤采煤法，顶板处理采用全部垮落法，采用ZF7200/17/33支架。工作面长度为174.5 m，煤层平均厚 6.1 m，采高 3.0 ±0.1 m，放煤高度3.1 m，煤层埋藏深度为266～366 m。伪顶为炭质泥岩，平均厚0.4 m，较破碎;直接顶为泥岩，平均厚2.7 m，泥质细粒结构;基本顶为细砂岩，平均厚5.8 m，中粒结构，致密，坚硬。直接底为粉砂岩，平均厚2.2 m;基本底为砂质泥岩，平均厚1.2 m。煤与顶底板主要力学参数见表1。

表1 煤岩层力学参数表

2 深孔预裂爆破方案

2.1 炮孔间距

弱化坚硬顶板主要是利用爆破形成的裂隙区在岩体中形成弱面和裂隙，因此，裂隙区直径就是炮孔间距。根据Mises强度准则，柱状不耦合装药条件下，爆破压碎区和裂隙区半径公式为［3］:

炸药选用煤矿许用三级乳化炸药，炸药密度ρ0=1 100 kg/m，爆速Dv=3 200 m/s。药卷规格d60 mm×500 mm，1.5 kg/卷。本次爆破主要是弱化基本顶细砂岩，细砂岩的力学参数见表1。经计算，爆破裂隙区半径Rp=17 907 mm，最终炮孔间距定为3.5 m。

2.2 炮孔长度

爆破放顶的垂直高度H至少为:

式中:

M—采高，m，取3;

Kp—岩石冒落碎胀系数，取1.25。

计算得:H=12 m。因此，工作面顶板处理高度为12 m。打孔选用ZLJ－350型矿用坑道钻机，炮孔直径d75 mm，炮孔与水平面成45°，因此，炮孔长度17 m。

2.3 装药结构及方式

3407工作面深孔预裂爆破切顶主要是利用爆破裂隙区，因此，采用不耦合装药进行爆破切顶最合适，装药不耦合系数K=db/dc=75/60=1.25。

装药时，先用炮棍把起爆药卷送到孔底，然后依次把剩余药卷装入炮孔。起爆药卷示意图见图1。

图1 起爆药卷示意图

炸药装完后紧接着封孔，封孔结构采用刚－塑－刚结构［4］，结合深孔爆破现场经验，此次爆破封孔长度定为炮孔长度的1/2。封孔时，先用堵孔水泥封孔1 m，然后用黄土炮泥封孔，距孔口2 m时，再用封孔水泥封孔1 m，此时，停止封孔，在炮孔外把导爆索和雷管联接好塞入孔内，最后，把剩余段炮孔用炮泥封实，并将外露雷管脚线扭结成短路，严禁将雷管与导爆索露出黄土外。炮眼装药结构示意图见图2。

图2 装药结构示意图

2.4 炮孔布置及联线方式

工作面设备安装前，在开切眼内距采空区侧煤壁1 m处顶板打眼，以及在进风巷和回风巷距保安煤壁1 m处顶板打眼，炮眼布置示意图见图3，图4。

图3 进风巷和回风巷炮眼布置图

图4 开切眼炮眼布置图示意

煤矿深孔预裂爆破采用正向起爆，连接方式采用“局部并联，总体串联”，即1个炮孔的2个雷管并联连接，炮孔之间串联连接。放炮使用MFB－100型起爆器，1次装药、分次爆破。每次最多起爆3个炮孔，一共分14组起爆。为防止爆破时破坏相邻炮孔的封泥段，导致相邻炮孔封泥段失效，因此，爆破组与组之间，间隔1个炮孔装药。一共有10个空孔，分别是4、8、12、16、20、27、31、35、39、43 号炮孔。切眼中部容易垮落，因此，在23号和24号炮眼之间没有设置空孔，孔底间距比较大，但不影响爆破效果。为了不影响端头顶煤的稳定性，进风巷和回风巷的4个炮眼装药量稍微少一点。起爆顺序为 1、2、3→5、6、7→9、10、11→13、14、15→17、18、19→21、22、23→24、25、26→28、29、30→32、33、34→36、37、38→40、41、42→44、45、46→47、48→49、50。

炮眼爆破参数见表2。

表2 炮眼爆破参数表

3 现场应用

现场实施数据表明，3407工作面进行预裂爆破后，老顶初次来压18.7 m，与3405工作面相比初次来压步距缩短了9.6 m;3407工作面初采期间顶煤放出率为37.54%，与3405工作面相比顶煤回收率提高了14.38%;3407工作面初采期间端头垮落步距26.9 m，与 3405工作面相比端头垮落步距提前8.9 m。

4 结论

针对唐安煤矿坚硬顶板实际情况，分析认为在开切眼后部进行深孔预裂爆破是最佳选择。理论上研究分析并确定了炮孔长度、炮孔间距、装药结构、封孔方式及炮眼布置等参数。推进18.7 m时，顶板初次来压，工作面支架运行正常，瓦斯没有异常，说明本次设计的深孔预裂爆破参数安全可靠。

深孔预裂爆破处理综放面坚硬顶板，解决了初采期间大面积悬露不冒的问题，初次来压步距缩短9.6 m，减弱了初次来压对支架的冲击载荷，防止了顶板突然垮落造成的工作面瓦斯超限，初采煤炭采出率提高14.38%，增加了初采经济效益。两端头垮落步距缩短8.9 m，避免了瓦斯积聚，保证工作面风流畅通。

［1］靳钟铭，徐林生.煤矿坚硬顶板控制［M］.北京:煤炭工业出版社，1994:80－90.

［2］靳钟铭.坚硬顶板长壁采场的悬梁结构及其控制［J］.煤炭学报，1986(2):71－75.

［3］高尔新，杨仁树.爆破工程［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1999:75－79.

［4］马沈岐，朱 桦，吴雅丽.新疆托克逊雨田煤业伊拉湖煤矿极坚硬顶板处理技术［J］.煤炭工程，2010(3):23－25.