坚硬顶板切顶预裂爆破在锦程矿10-201工作面的应用

邓桂波

(山西焦煤霍州煤电锦程煤业有限公司,山西 临汾 041000)

锦程矿10-201综放工作面设计走向长度634 m，倾向长度127 m，开采煤层为9+10号合并煤层，采用综放工艺，煤层厚度6.2～7.2 m，其中夹矸2.6 m，煤层倾角0～16°，平均倾角8°，直接顶厚度0.25 m，为灰质泥岩，老顶为K2石灰岩，最大厚度10.05 m，K2石灰岩抗压强度38.4 MPa，岩层坚硬且稳定，在工作面初采期间易造成采空区大面积悬顶，给工作面的安全生产带来较大隐患。因此，为了回采期间的安全生产，采用深孔爆破来防止或减弱大面积顶板来压。

1 工作原理

根据9+10号煤层具体情况，最初提出的水压致裂强度不足，而且局部老顶存在裂隙，无法切断顶板；考虑到K2石灰岩的硬度和厚度，力臂锯切割缓慢而且深度不足。最终确定10-201综放工作面采用切顶预裂爆破的方式在工作面回采前弱化顶板。切顶预裂爆破的主要作用为：切断K2石灰岩基本顶，减小初次来压步距。即在工作面切眼和正副两巷以合适的间距向顶板打设深孔，在工作面回采前对钻孔装药并爆破。通过切顶预裂爆破的方式来切断基本顶，从而减小初次来压的步距。

2 工艺技术

2.1 打 孔

工作面切眼扩刷完成后即可打孔，此时钻机摆放和挪移比较方便。工作面需布置钻孔长度按135 m计算(切眼长度127 m+副巷长度3.5 m+正巷长度4.5 m)，钻孔间距1 000 mm，共需布置136个炮孔，编号分别为A1～A136。采用CMQ1-1200/30煤矿用切顶钻机钻孔，钻杆每根长1.0 m，钻头直径50 mm。

2.1.1 钻孔位置

如图1所示，根据切顶预裂的原理，钻孔开口位置距离煤壁越近越好，但考虑施工钻孔时，切顶钻机需要操作空间，所以确定爆破钻孔与煤柱帮距离为200 mm。

图1 钻孔位置S、钻孔倾角α示意

2.1.2 钻孔倾角

如图1、图2所示，钻孔倾角α为钻孔与煤壁的夹角，仰角β为钻孔与回采方向的夹角。

图2 钻孔倾角β示意

结合10-201两巷道及切巷切顶高度及切顶钻机施工位置，确定钻孔倾角β向工作面古塘侧倾斜，即α=78 °，β=78 °。

2.1.3 钻孔深度

根据切顶预裂技术原理，影响基本顶初次来压的主要因素为基本顶的断裂距离。确定切顶孔应穿透K2石灰岩，根据工作面地质综合柱状图，切顶高度按照煤层结构最大厚度确定为：顶煤最大厚度(煤层最大厚度-巷道高度)+伪顶最大厚度+基本顶最大厚度=(7.2-2.8)+0.25+10.05=14.7 m。

钻孔深度：以切顶高度为基准，考虑α、β角，保证穿透K2石灰岩0.1 m，使初次来压步距减小。

钻孔深度计算公式：

(1)

式中：H0为巷道顶板K2灰岩上边界高度，H0=(7.2-2.8)+0.25+10.05=14.7 ；α为钻孔与煤壁的夹角，α=78°；β为钻孔与回采方向的夹角，β=78°；经计算，切顶钻孔深度为15.5 m。

2.1.4 钻孔直径和钻孔间距

在施工顶板爆破钻孔时，切顶钻机选用直径50 mm的钻头和直径42 mm的钻杆。一般情况下钻孔间距为钻孔直径的10～15倍，即500～750 mm。为达到切顶预裂效果，钻孔直径为50 mm，钻孔间距为1 000 mm时最佳。

2.2 装 药

通过切顶预裂技术来切断顶板，其效果好坏取决于装药密度、爆破孔的间距、装药不耦合系数、爆破孔的封药长度以及一次性起爆的爆破孔数量。

2.2.1 炸药选型

根据切顶预裂的需要，结合我矿实际情况，选用矿用三级乳化炸药，炸药直径32 mm，长200 mm，重量0.2 kg。

2.2.2 不耦合系数

根据以往工程经验，不耦合系数K的合理范围为1.30～1.80。根据前文所述，不耦合系数K=50/32≈1.6，在合理范围以内，符合要求。

2.2.3 装药集中度

一般情况下，预裂爆破装药量合适时，既可造成平整贯通的切顶缝，又能使药包附近的岩体不受破坏。预裂孔的装药，应刚好能使K2灰岩产生裂缝，但又不对围岩造成较大的破坏。装药集中度取值范围为0.45～0.7 kg/m。

根据我矿10-201工作面基本顶的岩性，装药集中度取0.66 kg/m。

2.2.4 单孔装药量

依据地下工程爆破经验公式，单孔装药量为：

(2)

式中：Q为单孔装药量，kg/孔；H为钻孔深度，取15.5 m；k为装药系数，取2/3；q为装药集中度，取0.66 kg/m。

代入上式计算得：单孔装药量Q=6.82 kg。换算成药卷数量N=6.82/0.2=34卷。

2.3 封孔结构

钻孔装药遵循以下原则：①炮眼内装药段长度9.8 m，采用煤矿许用三级水胶炸药和煤矿许用毫秒延期电雷管，每孔炸药34卷；②采用D型聚能管装药，聚能管直径32 mm，每节长度2 m，每孔5节，聚能方向与预裂钻孔方向一致；③自上而下装药结构为“9+7+7+6+5”，每部分2发电雷管起爆；④封孔长度5.7 m，采用黄土或粘土炮泥封孔；⑤采用正向装药，孔内电雷管并联连接，孔间串联连接，一次爆破10个预裂孔；⑥在直巷中爆破，爆破母线长度不小于110 m；在拐弯巷道中爆破，爆破母线长度不小于85 m。装药及封孔示意见图3。

图3 装药及封孔示意

2.4 起 爆

在工作面支架稳装前完成钻孔施工；在支架稳装后、工作面生产前先完成钻孔装药、封孔和爆破。

3 切顶预裂效果

1) 采用切顶预裂爆破后，初次来压由尾巷至头巷分段垮落，初次来压步距平均为28 m，初次来压期间煤壁片帮现象不明显，来压时强度较小，效果明显。初次来压步距减小，提前进行放顶煤作业，提高顶煤回收率，减少资源浪费。

2) 减小初次来压步距可以削弱基本顶垮落时产生冲击波及风暴，降低了人员受伤和设备损坏的风险。

4 结 语

综放工作面切顶预裂爆破技术适用于存在坚硬顶板且不易垮落的采煤工作面。锦程矿10-201综放工作面初采时采用切顶预裂爆破取得了良好的效果，避免了在初次来压时产生的强烈冲击波及风暴，降低了人员受伤和设备损坏的风险，且可以提前进行放顶煤作业，提高顶煤回收率，减少资源浪费。