综放工作面初采深孔预裂爆破技术应用与研究

赵 鹏

（西山煤电集团官地矿，山西 太原 030022）

0 引 言

初采期间顶煤损失是在综放工作面顶煤损失中最大的一部分损失。由于顶板在工作面初采期间的悬露面积比较小，因此顶煤在该期间的破碎程度很小，从而导致了顶煤不能及时冒落并且发生冒落的顶煤块度比较大，这就造成了大量顶煤在工作面初采期间被遗弃在采空区中。综合上述分析，在工作面初采期间通过采用弱化顶板的技术措施来达到提高综采放顶煤开采煤炭采出率是十分有必要的。

1 工程概况

3407 工作面位于752 水平四盘区，在其北部与实体煤相邻，在其南部与四盘区专用回风巷、轨道巷和皮带巷相邻，在其西部与已经回采完的3406 工作面相邻，在其东部与已经回采完的3408 工作面相邻，并且3407 工作面同已经回采完的3406 工作面和3408 工作面之间各留设煤柱宽度为20m 的保安煤柱，3407 工作面属于孤岛工作面。

3407 工作面长度为174.5m，工作面推进长度为1360m。3407 工作面布置进风巷、回风巷和瓦斯巷，回风巷与瓦斯巷之间留设12m 的煤柱，3407 工作面的开切眼沿3 号煤层倾向开掘。图1 所示为3407 工作面位置示意图。

图1 3407 工作面位置示意图

煤层倾角为0°～5°，平均倾角为3°。根据三维地震报告资料表明，3407 工作面无断层等构造，但在3407 工作面回风顺槽之中同四盘区轨道巷之间的距离为1011.9m～1060.5m 的位置处存在对工作面回采有一定影响的陷落柱。3407 工作面的地质构造属于简单类型。

3407 工作面采用倾斜长壁综放工艺，全部垮落法管理顶板，共布置111 架ZF7200/17/33 型放顶煤液压支架，运输机机头、机尾各布置3 架ZFG8000/18.5/33H 型端头支架。3407 工作面采煤机截深为0.8m，开采高度和放煤高度分别为3.0m 和2.8m，一采一放的放煤步距，采放比大约1：0.93。

2 深孔预裂爆破方案

2.1 爆破器材的选用

由于本次深孔预裂爆破的主要对象为3407 工作面的细粒砂岩顶板，结合细粒砂岩的岩石力学物理特性，本次深孔预裂爆破炸药选用煤矿许用三级乳化炸药和毫秒延期小于130ms 的煤矿许用毫秒延期电雷管，各炮孔中并联安装两发同段雷管。

2.2 炮孔深度

深孔预裂爆破的垂直炮孔深度通常根据煤岩体经爆破作用之后能够将采空区充满的垮落高度来确定，炮孔仰角为45°，炮孔长度为17m。

2.3 炮孔直径设计

根据所使用炸药的规格参数以及现场工程实践经验，结合3407 工作面顶板岩性状况，钻机选用ZLJ-350 型矿用坑道钻机，炮孔直径为75mm。

2.4 炮孔间距设计

深孔预裂爆破主要是通过爆破作用形成破碎区使得岩石中的弱面和裂隙逐步发展来达到弱化坚硬顶板的目的，根据以上分析可以得出炮孔间距必须要根据破碎区的直径来确定。

任意一个岩体中质点的应力强度可以由公式1表示：

由Mises 准则可以得出顶板岩层发生破坏的条件如公式2 所示：

式中：σcd为岩石自身的单轴动态抗压强度，单位为MPa；σtd为岩石自身的单轴动态抗拉强度，单位为MPa；σ0为岩石自身的单轴受力破坏强度，单位为MPa。

代入相关顶底板岩性数据可以得出岩石爆破粉碎区半径和破碎区半径分别为380mm 和1790mm，据此最终确定炮孔间距为3.5m。

2.5 装药结构和方式

装药的方式为：首先通过炮棍将由胶带缠绕第一个装药药卷与导爆索而成的起爆药卷推入到炮孔孔底，随后依次将外部用胶带缠裹的剩余乳化药卷推入到装入炮孔中，并且轻微挤压以起到一定程度的防滑作用。

2.6 封孔方式和长度

封孔首先使用堵孔水泥封孔1m，此后使用黄土炮泥进行封孔，最后再使用封孔水泥在同炮孔孔口距离为2m 的位置处封孔1m，之后便停止封孔作业并将导爆索和雷管在炮孔外联接好之后塞入炮孔内，之后再使用炮泥将剩余段炮孔密封严实，最终扭结炮孔外露的雷管脚线成短路。图2 所示为炮眼装药结构与封孔方式。

图2 炮眼装药结构与封孔方式

2.7 装药量

各个炮孔的装药量为33.075kg，使用药卷数量大约为22 个。

2.8 一次起爆的药量

每段毫秒延期电雷管的最大起爆药量为35kg。

2.9 炮孔布置

图3 所示为炮孔布置平面图。

图3 炮孔布置平面图

图4 所示为炮孔布置剖面图。

图4 炮孔布置剖面图

2.10 放炮顺序

第1 组的1 号炮孔、2 号炮孔、3 号炮孔→第2 组的5 号炮孔、6 号炮孔、7 号炮孔→第3 组的9 号炮孔、10 号炮孔、11 号炮孔→第4 组的13 号炮孔、14号炮孔、15 号炮孔→第5 组的17 号炮孔、18 号炮孔、19 号炮孔→第6 组的21 号炮孔、22 号炮孔、23 号炮孔→第7 组的25 号炮孔、26 号炮孔→第8 组的28号炮孔、29 号炮孔、30 号炮孔→第9 组的32 号炮孔、33 号炮孔、34 号炮孔→第10 组的36 号炮孔、37 号炮孔、38 号炮孔→第11 组的40 号炮孔、41 号炮孔、42 号炮孔→第12 组的44 号炮孔、45 号炮孔、42 号炮孔→第13 组的48 号炮孔、49 号炮孔、50 号炮孔→第14 组的51 号炮孔、52 号炮孔、53 号炮孔→第15组的54 号炮孔、55 号炮孔、56 号炮孔。

3 深孔预裂爆破效果

通过布置于3407 工作面的矿压监测装置数据显示，初次来压步距为39.2m，比已回采结束的未采用深孔预裂爆破的3408 工作面初次来压步距小13.2m。3407 工作面初次来压期间最大载荷为39MPa，比3408 工作面初次来压期间最大载荷小5MPa。3407 工作面初次放煤步距为18m，比3408 工作面初次放煤步距小16m，相应地多放出煤量约1万t，若按吨煤售价450 元/t 计算，则多放出的顶煤相应的经济效益为450 万元。

4 结 语

通过将深孔预裂爆破技术应用于综放工作面初采期间，可以弱化顶煤与上覆顶板之间的稳定结构，达到了降低综放工作面初次来压强度、减少初采期间顶煤损失、提高采出率和经济效益、保证初采期间安全生产的目的，取得了显著的经济技术效果。并且，本次综放工作面初采深孔预裂爆破技术的成功应用，对该煤矿其他综放工作面具有积极的推广意义和经济技术价值。