工作面坚硬顶板爆破放顶技术的应用

张志波

(大同煤矿集团塔山矿)



工作面坚硬顶板爆破放顶技术的应用

张志波

(大同煤矿集团塔山矿)

摘要以某煤矿3111(02)工作面为研究背景，分析该工作面采取强制放顶技术的必要性，爆破放顶的基本原则，并分别对深孔爆破参数和浅孔爆破参数进行了设计，结合该矿工作面实际，确定了爆破放顶方案。采用此方案对该工作面顶板进行强制放顶，取得了显著的放顶效果，保证了工作面的安全生产。

关键词强制放顶爆破方案坚硬顶板

某煤矿3111(02)工作面处于3#煤层中，煤层平均厚度约3.7m。该工作面直接顶岩性为灰色泥岩，平均厚度6.1m，具有较强的整体性；基本顶岩性为浅灰色粉砂岩，平均厚度3.7m，具有较强的完整性。该工作面区段留设煤柱宽度为10m，由于联络巷的存在，区段分为3个切块，当完成第一个切块的开采工作时顶板未垮落，为保证安全开采，采取强制放顶措施，即爆破放顶技术。

1　爆破放顶技术

1.1放顶基本原则

结合直接顶厚度和岩性情况确定爆破方案的设计;改变直接顶顶板的力学结构，在直接顶板采用浅孔爆破开缝槽，缩小垮落步距；实现直接顶板的完全垮落，使得垮落的矸石成为采空区与工作面的保护屏障，也对上覆岩层起到一定的支撑作用[1-3]。

1.2深孔爆破参数设计

对工作面顶板进行深孔爆破时，对于未垮落的直接顶，可将其简化为悬臂梁模型进行相关计算。悬臂梁固定在岩层一段，此处转矩为[4]：

(1)

式中，q为均布在直接顶上的载荷；L为悬臂梁长度。

此外，悬臂梁在固定端处可承受的转矩是有一定限度的，最大转矩为[5]

(2)

式中，W为悬臂梁端部截面模量；h为顶板厚度；σt为模型岩石最大抗拉强度。

由上述分析可知，要使得悬臂梁垮落，必须使得M1大于M1max，即：

(3)

式中，γ为岩石容重。

通过计算可知，第一阶段的深孔爆破结束后，还存在一部分直接顶没有垮落。首先，采用浅眼爆破的方式，在开切眼内进行爆破切槽。具体方案设计为：在联络巷布置一排深孔炮眼，爆炸后会产生大量的矸石，这些矸石可充填其下方的采空区，此外，还应在此开切眼内布置浅孔炮眼，形成一个槽，使得直接顶的力学结构或受力情况得以改变，实现其完全垮落。深孔爆破使得炮眼下方的采空区完全充填，使直接顶未垮落或不完全垮落的采空区与工作面分离，即深孔爆破作用下垮落的矸石充当了工作面的保护屏障，大大提高了生产工作面的安全性。

为实现爆破矸石完全充填采空区，需确定深孔爆破参数[6-7]。

1.2.1炮眼垂直高度

由地质资料可知，该工作面平均采高(H)3.7m，顶板岩石碎胀系数(k)为1.3,现假设爆破能实现炮眼下方采空区完全充填的顶板垮落厚度为H1,确定顶板垮落厚度:

(4)

通过计算，求得H1=12.33m。

1.2.2炮眼直径

根据矿用钻机型号以及钻头的大小，设计炮眼直径为90mm。

1.2.3装药选择及参数

结合该矿的爆破经验，软体包装的矿用水胶炸药卷在该矿工程施工中取得良好的应用效果，确定水胶炸药卷作为爆破炸药。参数见表1。

表1　装药参数

1.2.4炮眼间距

由于该工作面在各联络巷与支巷的交叉处均布置炮孔，结合该矿工程实践及相关计算，对数确定为1，确定炮眼间距为2m。

1.2.5炮眼深度

通过计算，确定顶板垮落高度为10m，孔底与顶板之间的距离为10m，因此，确定炮眼深度为20m，炮眼仰角为30°。

1.2.6炮眼与支巷夹角

不同的岩性，其爆破裂隙半径不同，通过相关计算，最终求得泥岩中的爆破裂隙半径为3.1m，粉砂岩中的爆破裂隙半径为0.8m。由于炮孔的底部处于粉砂岩中，故其爆破裂隙半径可确定为0.8m，为充分发挥爆破裂隙的作用，处于同一煤柱内的两炮孔底部距离确定为1.8m，与支巷的夹角确定为21°。

1.3浅孔爆破参数设计

结合实际及要求，在顶板布置浅爆破孔，在开切眼顶板形成一定的缝槽。为获得良好的爆破效果，炮孔方向应与开切眼顶板垂直。同时，采用聚能爆破方法，以不耦合的形式将矿用水胶炸药放入PVC管中，在PVC管两侧设定一定的细缝，实现对爆能的进一步控制[8-9]。

1.3.1炮孔深度

浅孔爆破后，炮孔上方的直接顶厚度变小，炮孔周围还会形成一定范围的裂隙，使得泥岩的力学结构得以改变，使直接顶的垮落步距进一步减小。浅炮孔深度无需过大，一般小于直接顶厚度，设炮孔深度为H2，爆破后的直接顶厚度为H3，爆破后顶板形成一个缝槽时的悬顶距为L1，则此种情况下的悬臂梁转矩为：

(5)

(6)

式中，b为单位厚度，取值为1。

通过计算,求得炮孔深度H2=2.6m，根据设计需要，确定炮孔深度为3m。

1.3.2炮眼间距

通过上述计算可知，爆破后泥岩中的爆破裂隙半径为3.1m，浅孔爆破时采用聚能爆破方法，该爆破方法具有较强的定向性，因此，爆炸后，岩层中形成更大范围的裂隙。为获得较好的爆破质量，确定炮眼间距为2m。

1.4爆破方案设计

结合以上研究，在该矿3111(02)工作面进行初次放顶时，首先在开切眼中布置浅孔炮眼，炮眼方向与顶板垂直，炮眼直径为90mm，炮眼深度为3m，炮眼间距为2m；在联络巷采取深孔炮眼布置。此外，在联络巷与支巷交叉处顶板布置深孔炮眼，炮眼深20m，仰角30°，与支巷夹角21°。

浅孔和深孔爆破采用的引爆工具分别为瞬发雷管和毫秒延期电雷管。浅孔爆破后，直接顶出现了一个缝槽，直接顶的垮落长度减小，在深孔爆破作用下，直接顶可实现完全垮落。随着工作面的不断推进，再次对顶板进行爆破时，只需在顶板布置深孔炮眼即可实现其完全垮落。

2　结　语

该矿3111(02)工作面采用浅孔爆破和深孔爆破相结合的方式。采用浅孔爆破，改变了顶板力学结构，大大缩小了初次垮落距，有效解决了悬空顶板面较大的问题，减少了顶板对工作面的冲击隐患和炸药的使用量；深孔爆破后，顶板完全垮落，实现了对顶板的强制放顶。

参考文献

[1]陈苏社.综采工作面超深孔爆破强制放顶技术研究[J].煤炭科学技术,2013(1):44-47.

[2]高魁,刘泽功,刘健，等.深孔爆破在深井坚硬复合顶板沿空留巷强制放顶中的应用[J].岩石力学与工程学报,2013(8):1588-1594.

[3]李慧斌,肖伟.综采工作面坚硬顶板预裂爆破技术的实践与探讨[J].科学技术与工程,2012(34):9313-9315，9324.

[4]谭诚.煤层巨厚坚硬顶板超前深孔爆破强制放顶技术研究[D].淮南：安徽理工大学,2011.

[5]赵文.超前深孔预裂爆破弱化采煤工作面坚硬顶板技术研究[J].煤矿开采,2012(5):88-90.

[6]杨海波.预裂爆破在煤层坚硬顶板放顶煤工作面的应用[J].中州煤炭,2014(9):20-21,29.

[7]孙国强.预裂爆破在煤层坚硬顶板放顶煤工作面的运用探讨[J].科技创新与应用,2016(3):121.

[8]陈万平.综采工作面坚硬顶板深孔强制爆破放顶的应用[J].内蒙古煤炭经济,2008(4):28-30.

[9]董帅,李炜,张缘.基于切放顶爆破的沿空留巷坚硬顶板控制技术研究[J].内蒙古煤炭经济,2015(4):114-115，158.

(收稿日期2016-04-28)

张志波(1984—)，男，助理工程师，037036 山西省大同市矿区欣河园。