葫芦素煤矿21406 回采工作面爆破切顶参数优化设计

齐 佩

（中天合创煤炭分公司葫芦素煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017212）

我国煤炭80%以上属于井工开采，煤炭现开采难度增加，面临着各种安全问题和技术难题，其中冲击地压是最主要的灾害之一[1-5]。为了解决深部开采冲击地压问题，众多学者通过改善顶板条件来解决冲击地压，治理的核心理念是减少冲击的频数或者减弱冲击的强度。切顶爆破是现场采用的主要方法，但需要根据具体条件优化切顶爆破参数，保证回采面安全高效施工。

1 工程概况

1.1 工作面布置

21406工作面位于葫芦素煤矿工业广场西南侧，运输巷对应地面位置有2 处房屋、3 处鱼塘。井下位置：21406 工作面的东侧是四盘区辅助运输大巷，西侧为井田边界线，南侧为21407 工作面，北侧为240 m 保护煤柱。如图1。

图1 21406 工作面概况

21406 工作面为四盘区第二个回采工作面，位于四盘区中部，工作面长300 m，有效推进长度3085 m，工作面单巷布置。21406 工作面地面标高+1302～+1311 m，井下标高+624～+658 m，平均埋深约650 m。21406 工作面所采煤层为2-1 煤层，厚度2.95～5.27 m，平均厚度约为4.0 m，煤层结构简单，一般含1 层0.2～0.4 m 厚的夹矸，煤层倾角1°～3°，采用综合机械化一次采全高，全部垮落法处理采空区顶板。截至2021 年10 月18 日，已回采1690 m。

1.2 顶底板条件

根据地层的岩性岩相特征判断，安定组地层岩性由细～粗砂岩、砂质泥岩、粉砂岩组成，埋藏较浅，裂隙发育。21406 工作面煤层及顶底板条件见表1。

表1 21406 工作面顶底板条件

2 切顶爆破分析

2.1 切顶爆破原因

呼吉尔特矿区仅有葫芦素煤矿开采2-1 煤层。根据葫芦素煤矿提供的矿压显现记录，该煤层发生过1 次轻微冲击地压显现事件。

21406 工作面均为全煤巷道掘进，受开采深度、褶曲、断层、冲刷带等形成的高静载应力，采掘扰动、相邻采空区等形成的高动载应力，以及冲击倾向性煤层、“两硬一软”煤岩条件等因素的影响，初步预测21406 工作面在回采期间具有发生冲击地压的风险[6]。

21406 为实体煤回采工作面，且21406 工作面回风巷与21405 采空区之间留设240 m 煤柱，所以回风巷侧暂不设计爆破孔。21406 工作面回采期间，超前工作面300 m 在运输巷内对顶板实施纵向预裂卸压，既能通过减小工作面来压步距来缓解本工作面矿压，又能营造利于21407 沿空掘巷维护的顶板结构。

2.2 顶板岩层结构分析

选取21406 工作面运输巷附近的HK32、HB7、H15 钻孔柱状图分析工作面顶板岩层结构。HK32 顶板上方存在14.46 m 的中粒砂岩和13.37 m的细粒砂岩；HB7 顶板上方各岩层厚度均较薄，不存在厚度超过10 m 的厚硬岩层；而H15 顶板上方的中粒砂岩厚度达到了22.46 m。整体分析可知，21406 回采面运输巷顶板岩层结构变化较大，建议在爆破参数设计前应优先间隔一定距离取芯，在探明岩性的基础上再进行爆破参数设计。

3 顶板爆破预裂卸压参数设计

3.1 初始爆破参数设计

截 至2021 年9 月，21406 运 输 巷 距 离 切 眼0～917 m 未施工爆破断顶，距离切眼917～2567 m 已爆破断顶。其中距离切眼917～1486 m 爆破参数见表2；距离切眼1486～2567 m 施工参数孔深减小为35 m，其余参数不变；距离切眼2080～2274 m 已经打了钻孔暂未进行爆破。

每10 m 布置1 个纵向切顶钻孔，钻孔布置方式如图2 和图3，爆破参数见表2。实施切顶卸压的21406 需要强化超前辅助支护。

图2 初始爆破钻孔平面图（m）

图3 初始爆破钻孔剖面图（m）

表2 初始切顶爆破参数表

3.2 爆破参数设计优化

由于在21406 运输巷距离切眼1486 m 附近施工的5 个爆破孔连续出现塌孔现象，故对附近的相邻钻孔进行窥视，窥视孔施工深度50 m，倾角60°，孔径75 mm。

根据之前施工人员现场探孔情况反馈，在37～38 m 左右有塌孔现象，存在推杆推不动情况。现对窥视孔探孔情况进行分析：

分析钻孔整体岩层变化范围，大致判断出高位顶板塌孔处岩性变化范围为40～50 m。如图4。

图4 岩层状态

根据现场实际窥视情况可以看出，10～20 m 处岩性有变化，30～40 m 处岩性发生变化。窥视情况显示，顶板岩层到34 m 表面开始由细变粗直至47 m 处出现破碎，由此可以判定在34～50 m 之间顶板岩层过渡变化为泥岩，是造成塌孔的主要原因，具体情况如图5。

图5 高位岩层破坏状态

通过窥视孔整体情况分析可知，34～50 m 顶板岩层过渡变化为泥岩，因此可将初始爆破设计参数的孔深由50 m 变更设计为35 m，其他参数不变，详见图6、图7、表3。

图6 优化后爆破钻孔平面图（m）

图7 优化后爆破钻孔剖面图（m）

表3 优化后切顶爆破参数表

3.3 顶板爆破预裂钻孔施工工艺

21406 回采期间，21406 运输巷里程2250 m 至回撤通道口处结束，主要工序包括：准备钻机→施工钻孔→正向装药→爆破孔封孔→爆破。

（1）采用ZDY4200LPS 煤矿履带式全液压坑道钻机配套Φ75 mm 的钻头及钻杆，按照设计方案的技术参数要求，操作完成钻孔施工。

（2）装药：现场制作被筒、制作炮头，连接雷管脚线、验孔、正向装药。

（3）封孔：使用水泥封孔剂封孔（Φ63 mm×500 mm）。每推进一袋后使用专用炮棍捣实，直至封孔到孔口位置。

（4）起爆：每次爆破作业前，爆破工必须做电爆网路全电阻检测，严禁采用发爆器打火放电的方法检测电爆网路。

4 结论

（1）结合现场实际情况，利用钻孔窥视技术现场试验，对比分析孔壁裂隙和顶板岩性的类别。由此次窥视可得，高位顶板上覆岩层到34 m 处表面开始由细变粗，直至47 m 处出现破碎，判定在34～50 m 之间顶板岩性发生过变化，34 m 处为岩层变化过渡带，37 m 为砂质泥岩，该处泥岩是造成钻孔塌孔的主要原因。

（2）通过调整爆破参数，找到最优爆破方案。爆破实现了定向预裂缝，切断了顶板应力传递路径，使顶板按设定高度切落，实现了既主动切顶又不破坏巷道顶板的目的，大大地减少了围岩损伤，利于工程岩体的支护和稳定，降低了综合成本，经济和社会效益显著。