坚硬顶板采煤工作面深孔爆破卸压技术应用

赵志营(沛县大屯矿区中大注浆工程有限公司，江苏 徐州 221000)

1 现场概况

孔庄煤矿是大屯煤电集团下属生产矿井，主采3# 煤层，目前施工的4315 综放工作面位于四盘区大巷以南，4313 工作面以西，4319 和4321 工作面以东，矿界以北。煤层平均厚度约6.0 m，工作面可开采长度达312 m，工作面采用“两进一回”型布置方式，顺槽巷道均采用锚杆锚索及菱形金属网、W 钢带联合支护。据现场观测，目前工作面端头悬顶面积达到25 m2，综放工作面端头悬顶面积达到20 m2。为有效解决端头悬顶问题，针对性改善相邻巷道维护现状，开展工作面顶板深孔爆破卸压技术研究显得十分必要。

2 技术方案

2.1 技术原理

深孔爆破预裂卸压原理如图1 所示。图中，深孔爆破预裂卸压技术是利用顶板围岩“抗压怕拉”的性质，在顺槽巷道煤柱侧施工爆破孔，利用聚能管定向精准爆破方式，使顶板围岩沿设计方向纵向爆破，形成定向张拉裂缝[1]，使顶板围岩沿设计方向整体垮落，达到卸压的目的。

图1 爆破预裂卸压原理示意图

2.2 现场试验

首个深孔爆破预裂施工区域选择4315 综采工作面43153 巷，自停采线向前方1 200 m 范围。瓦斯高位钻场设计在43152 巷2#、8#、13# 横川口，仰角穿过43153 巷进入4315 工作面，终孔落在工作面顶板上方40 m 左右位置，终孔位置距43153 巷水平距离16 m。考虑到瓦斯高位钻孔对爆破的影响，在瓦斯钻孔前后各5 m 范围不进行爆破施工。

2.2.1 孔倾角

为保证爆破切顶效果，需要综合考虑顶板围岩特性、基本顶悬顶长度和爆破孔深度等。在围岩特性确定的情况下，基本顶悬顶长度要求越小越好，此时钻孔倾角应沿法线位置箱采空区偏移[2]，这样既可以保护煤柱效果，也能最大限度减小悬顶面积。但由于钻机尺寸及现场爆破装药等因素限制，在保证顶板围岩上方位置不变的情况下，钻孔倾角设计为75°。

2.2.2 孔位置

在巷道顶板施工爆破孔，位置如图2 所示。

图2 钻孔位置示意图

在巷道顶板适当位置施工爆破钻孔，为保证切缝效果，当钻孔位置紧贴煤柱帮、钻孔倾角为0°时，爆破切顶效果最为理想，资源回采率最高。结合现场顶板定向钻机作业空间和钻机尺寸，钻孔位置最终确定为700 mm。

2.2.3 破高度

对坚硬顶板而言，伪顶和直接顶是影响围岩结构和支撑压力的主要部分。尤其是采空区直接顶，硬度较高不易断裂，其自重和载荷将转变为侧向支撑压力，直接作用于采空区煤帮，最终导致巷道变形及片帮等问题。因此在确定爆破高度时，应选择将全部直接顶直接垮落，及爆破高度为伪顶和直接顶的全部高度。直接顶高度计算公式如式(1) 所示：

式中：M为巷道基本顶高度(m)；h为综采工作面采高(m)，结合现场取6.3 m；Sa为工作面岩梁触矸处沉降系数，取值范围为0.15～0.25；结合现场取值0.2；Ka表示岩梁触矸处冒落岩层碎涨系数，取值范围为1.3～1.5；结合现场顶板岩性取1.3。

代入公式计算，M=20.33 m，因此爆破高度选为20.33 m。

2.3 爆破参数

2.3.1 药规格

结合顶底板实际情况，选用矿用三级乳化炸药，炸药直径φ=45 mm，长l=500 mm，重量m=0.8 kg。该乳化炸药以无机含氧酸盐水溶液为分散相，以不溶于水的可液化的碳质燃料为连续相，借助乳化剂的乳化作用和敏化剂(包括敏化气泡) 的敏化作用而制成的一种油包水(W/O) 型乳脂状混合炸药，其爆炸性能好，威力大，爆轰感度高而机械感度低。

2.3.2 耦合系数

结合现场顶板岩性和巷道地质资料，需要对爆破不耦合系数进行安全评估，公式如式(2) 所示。

式中：K为不耦合系数；安全范围为1.3～1.8；D为切顶巷道爆破孔直径，根据现场要求为D=80 mm；φ为矿用三级乳化炸药直径，此时选取φ=48 mm。

代入公式计算，得不耦合系数为1.67，符合安全评估条件。

2.3.3 药量

《煤矿安全规程》规定，深孔爆破时封孔长度不低于孔深的1/3[3]。爆破高度为20.33 m，现场采用的为单根2 m 的聚能管，拟采用10 节聚能管，其中封孔段3 节，其余装药按照矿井爆破工程集中度标准，拟共计采用20.8 kg。本次方案根据以往深孔爆破施工经验及顶板岩性设计装药量20.8 kg，共计使用26根药卷。根据前期爆破试验效果，及顶板结构的变化逐渐调整装药量。

3 现场效果

对43153 工作面推进120 m 前后进行了深孔爆破卸压，并对120#、130#、140# 支架的工作阻力变化情况进行为期48 天的观测周期，通过观测端头支架工作阻力，对比爆破施工前后支架载荷变化，以及分析顶板深孔爆破预裂对顶板周期来压步距、来压强度的影响。现场监测支架分布如图3 所示。

图3 监测支架分布示意图

由此得出三个支架工作阻力和工作面推进距离关系如图4 所示。

图4 深孔爆破卸压前后支架阻力变化图

由图可知，当工作面周期来压显现，试验支架所承受的最大平均工作阻力位39.1 MPa，爆破卸压后，试验支架的平均工作阻力降至26.9 MPa，支架工作阻力显著下降，且随着工作面推进，工作阻力最大值逐渐减小，工作面周期来压压力逐渐放缓，切顶卸压效果明显。

4 结语

综上可知，在孔庄煤矿43153 工作面顺槽巷道正前16 m处使用深孔爆破切顶卸压技术，对坚硬顶板实行深孔爆破，钻孔倾角设计为75°，钻孔位置为距巷帮700 mm，爆破高度选为20.33 m，共计使用26 根药卷，装药量20.8 kg，爆破卸压后，支架工作阻力显著下降，工作面周期来压压力逐渐放缓，说明深孔爆破卸压有效改变了顶板上方围岩的应力分布，减小了端头悬顶面积，实现了坚硬顶板条件下的安全回采。