工作面初采深孔爆破切顶技术应用

常 凯

（山西焦煤西山煤电集团公司官地矿，山西 太原 030022）

综采工作面两端头采空区顶板管理一直是综采工作面顶板管理的难题，经常有顶板垮落不及时现象，造成空顶面积大、瓦斯积聚、矿山应力集中导致顶板大面积冒落产生暴风与冲击压力，破坏力强，危害极大，给综采工作面安全生产带来隐患[1]。为了防止顶板突然垮落造成工作面的安全事故，降低工作面初次来压对工作面的影响。因此，提出了深孔爆破切顶技术。此项技术的关键位爆破参数的选取，对工作面的围岩稳定有着决定性影响[2]。

目前许多研究学者针对工作面切顶卸压关键参数设计进行了研究，陈上元建立了聚能爆破力学模型，通过力学分析、数值模拟和现场试验确定了具体参数[3]。谢小平针对倾斜薄煤层工作面具体环境，确定了切顶卸压爆破技术参数[4]；马新根提出了复合顶板切顶爆破设计的系统化流程，确定了切顶爆破关键参数[5]。为保证官地煤矿22613工作面切顶卸压技术的成功应用，需针对具体爆破参数进行研究。

1 工作面概况

官地煤矿1960年建矿，经过多次扩建成为大型国有矿井，核定生产能力为5 Mt/a。官地煤矿22613工作面属2#煤层，煤层平均厚度为2.4 m，倾角为5°。工作面大多呈长方形布置，工作面回采方向垂直南大巷，由东南至西北方向进行掘进回采，回采工作面宽度160 m，长度介于420 m之间。巷道采用矩形断面，沿煤层底板掘进，顶底板岩性见表1。

表1 顶底板岩性情况

22613综采工作面地质构造复杂，断层、陷落柱较多；采区上部覆盖煤柱较多。遇构造，放炮后震动造成顶板漏顶；两端头悬顶大后，控顶困难；支架（单体）初撑力不足，周期来压压出采空高浓度瓦斯，易发生瓦斯事故等问题。为了防止顶板突然垮落造成工作面的安全事故，降低工作面初次来压对工作面的影响，防止瓦斯在初次来压时突然涌出，且进一步提高工作面煤炭资源回收率，官地矿在22613工作面进行了初采深孔爆破强制放顶技术研究。

2 聚能爆破切顶技术参数确定

2.1 炮孔位置确定

（1）主炮孔

根据官地矿22613工作面上覆顶板岩层的具体位置，结合相似工作面的工程经验，采用23 m深的炮孔可以达到强制放顶的效果。在工作面切眼处布置两排炮孔用于强制切顶。为了扩大炮孔爆破范围，炮孔均在孔底呈倒“八”字，在孔口处呈现“三花眼”布置，两组炮孔A组炮孔与切眼轴向平行布置，B组炮孔相对于切眼轴向斜向布置，见图1。

图1 炮孔布置

A组炮孔内红色范围内进行装药，蓝色范围内进行封孔，为了施工方面，A组炮孔斜向上60°进行施工。A组炮孔沿着工作面切眼顶板直线型布置，共布置18个炮孔，每隔10 m布置一个炮孔，见图2。

图2 切眼A组炮孔平面、剖面

图3 切眼B组炮孔平面、剖面

B组炮孔每隔10 m布置一个，共布置18个炮孔。炮孔沿着工作面支架掩护梁上方的顶板岩层处直线型布置。B组炮孔布置时保证炮孔与支架切顶线的距离大于0.5 m，B组炮孔斜向上60°进行施工，水平向上倾斜45°进行施工。并保证B组炮孔与A组炮孔距离1 m左右。见图3，红色为装药段，蓝色为封泥段。

（2）辅助炮孔

为了保证22613工作面初采时切眼处顶板岩层能够顺利的垮落，在A、B两组炮孔基础上，在增加一组辅助炮孔—C组炮孔，炮孔布置于切眼前方10 m的上下端头巷道中，共6个炮孔，见图4。

图4 C组炮孔平面、剖面

2.2 炮孔直径确定

采用深孔爆破强制切顶技术时，炮孔直径一般为60～120 mm。当炮孔直径较大时，在进行爆破时容易发生冲孔现象，且炮孔封泥较为困难；由于爆破影响范围与炮孔直径成正比，当炮孔直径较小时，容易造成炮孔爆破范围较小，影响切顶效果，且炮孔装药时较为困难。由于管道熄爆效应明显的间隙范围是炮孔装药直径的0.15～3倍大小，且在1.2倍时爆破效果最优。因此，本次工作面深孔爆破采用直径为75 mm的炸药和直径为90 mm的炮孔。

2.3 炮孔间距

炸药爆破后分别形成：压碎区、扩腔区、裂隙区，见图5。而炮孔的间排距与炸药形成的区域尺寸有着重要的关系。

图5 炮孔爆破后各区分布

由官地矿22613工作面采用的3号乳化炸药参数和工作面顶板岩层的具体力学参数，可以计算出当炮孔炸药爆破后，压碎区的直径大约为618 mm，裂隙区的直径大约为4229 mm。因此可以得到，爆破炮孔间距小于4229 mm即可。由于22613工作面采用双排炮孔进行顶板预裂，根据相似工作面工程经验，A、B两组主炮孔采用1 m排距、10 m间距布置，C组辅助炮孔采用0.5 m间距布置。

2.4 封孔长度

采取合理的封孔长度，不但可以保证不产生抛掷漏斗，而且可以保证炮孔爆破时封孔段围岩也可以裂开。根据相似工作面深孔爆破工程经验可知，封孔长度需要大于等于4.2 m。因此A、B两组炮孔封孔长度确定为5 m，由于C组炮孔位于巷道内部，为了保证巷道围岩的安全稳定，C组炮孔封孔长度确定为8 m。

官地矿22613工作面炮孔参数见表2和表3。

炮孔每米装药重量为1 kg，主炮孔每炮孔装药重量1×18=18 kg，A、B两组总计36个炮孔，总量=1×18×36=648 kg；C组辅助炮孔共计6个，装药长度不等，总计（18+22+42）×2=164 m，总量=164×1=164 kg。

3 应用效果

1）解决了工作面两端头孔顶强化了工作面两端头空顶面积大的问题。22613工作面初采深孔爆破切顶技术采取大小循环作业，顶板条件好，布置打深孔眼；顶板破碎，布置中浅孔；为实现放炮良好效果，运用低高位分段爆破，利用自由面，达到目标放炮效果，解决工作面两端头空顶面积大的问题。

表2 主炮孔参数

表3 辅助炮孔参数

2）安全保障有了提高。不仅减轻了工人劳动强度，而且还为安全工作奠定了一定的基础，在复杂得地质条件下，使职工的人身安全得到了保障，为矿区稳定和社会的和谐发展起到积极的作用。

3）创造了经济效益。每天多出煤200 t，（煤价按300元/吨）300×200×365=2190万；设备及材料消耗相比减少：70万；节约人力资源费用：30万。

4 结语

针对官地煤矿22613工作面采空区顶板悬空较大、控制困难等问题，采用理论分析和工程经验确定了采用3组炮孔针对顶板进行爆破切顶：A组炮孔沿切眼顶板直线形布置，共18个炮孔；B组炮孔布置于支架掩护梁上方的顶板岩层处，孔口呈直线形布置，共18个炮孔；C组炮孔布置于上下端头巷道里向后上方，共6个炮孔。并具体确定了各组炮孔具体各项参数。最后在22613工作面得到了实践应用，不但保证了工作面的安全生产，且创造了可观的经济效益。