综采工作面初采期间深孔预裂爆破强制放顶技术应用

刘桂璋 许春宝 薛雄飞

（陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719000）

杭来湾煤矿投产初期，受地质条件影响，综采工作面初采期间曾经受顶板悬顶灾害影响制约，导致生产中断、现场作业人员作业期间受大面积悬顶冲击巨大威胁[1-3]。杭来湾煤矿在工作面初采前在切眼穿凿深孔，经控制性深孔强制爆破放顶（简称“强制放顶”），强制破坏采空区顶板的完整性使其提前垮落，达到减小基本顶初次来压的步距、减弱初次来压破坏程度的目的。

1 概况

杭来湾煤矿一盘区30110 综采工作面开采煤层为3 号煤层，基本顶岩性为中砂岩～粗砂岩，均厚22 m；直接顶岩性泥岩～粉砂岩，均厚4.1 m。30110 工作面长度299.1 m，煤层厚度7.9～9.0 m，平均厚度8.5 m。根据之前9 个工作面初采实际观测，基本顶初次来压步距LO=80～120 m，周期来压步距Ci=14.5～17.0 m。该爆破项目，井下爆区范围310.0 m×5.0 m，起爆岩石方量为16 740 m3（42 500 t）。

2 深孔爆破方案设计

为了减轻30110 工作面基本顶初次来压对支架造成的冲击载荷，决定在工作面切眼进行深孔预裂爆破，破坏顶板的完整性，使其尽早垮落。

2.1 炮眼布置和钻孔

（1）强制放顶的炮孔中心线平行于切眼中心线，距离切眼副帮2.5 m，孔距为6 m、6.5 m，设计炮孔直径95 mm，爆区全长为30.5 m。共布置掏槽孔14 个、主爆孔38 个、辅助孔13 个，共计65个炮孔，孔口沿炮孔中心线呈“一”字形排列，均为倾斜炮孔，仰角30°，垂深为4～12 m，爆破采用一次性装药，分三次起爆的分区起爆方案，如图1。其中1+1b、2、3、4 号和 5+5b 号7 个炮孔孔底朝向30110 辅运顺槽，其余炮孔孔底均朝向30110回风顺槽。

图1 炮孔布置图

（2）强制放顶的掏槽炮孔布置在切眼胶运顺槽一侧，掏槽爆破区段全长63 m，共14 个炮孔。其5+5b 号和 6+6b 号孔，4 号和7 号孔，3 号和8 号孔，2号和9号孔，1+1b号和10+10b号孔两两对称呈“八”字形布置，楔形掏槽[4]。掏槽孔的深度分别为8 m、12 m、16 m、22 m 和 24 m。其孔间距离，在5+5b和6+6b 号孔间为15 m，其他均为6.0 m。

（3）其余自11 号炮孔起，分别依照18 m、21 m、24 m 孔深的三阶梯组合，6.5 m 孔距的固定格式，依次顺序向回风顺槽方向延续，至48 号炮孔终结。

（4）为加强破碎效果，在每一组三阶梯组合的24 m 深孔处，另行增加一个同相位的平行炮孔，炮孔深度15 m。该加强孔在炮孔中心线靠近副帮一侧布置，其横向孔距为1.0 m。

（5）位于回风顺槽部位的47 号和48 号炮孔，处于爆区的末端，受周围岩体的夹制作用相对较大，故将47 号炮孔的深度调整为21 m，并在该炮孔靠近副帮一侧，对应增加同相位的48b 号炮孔，炮孔深度15 m，以加强破碎效果，促使顶板顺利塌落。

2.2 爆破参数选择及装药量计算

（1）炮孔的装药系数，在掏槽区段的1 号～10号炮孔间，5+5b 号和 6+6b 号孔为0.60，其余炮孔为0.666，主爆区炮孔均为0.666。

（2）各炮孔装药长度分别按各炮孔的装药系数，依据公式LY=（0.60～0.666）LK计算各炮孔的装药系数。

（3）当装药护套PVC 管内径为Ф70 mm 时，炮孔的装药密度为3.3 kg/m。

（4）各炮孔的装药量，按Q孔=LY×3.3 。

（5）炮孔的充填长度计算：LD= （0.40～0.333）×LK，取堵塞系数为 0.40～0.333。

上述各式中：Q孔为单孔装药量，kg；LK为炮孔深度，m；LY为炮孔装药长度，m；LD为炮孔堵塞长度，m。

2.3 起爆网路联接及起爆顺序

（1）孔内全段装药使用两根导爆索并联引爆，且导爆索须穿入PVC 护套由孔底延伸至孔口以外2.5 m 处，使用两发毫秒电雷管正向绑扎在两根导爆索端头后延15 cm 处。两发雷管并联，孔间串联。电爆网路为并—串联连接方式[5]。

（2）起爆雷管和导爆索联接包扎完成后，应理顺并送入炮孔内安置妥当后，再用孔口木塞封堵牢靠。雷管的脚线，须置于木塞预留的沟槽内引出，接入区间网路。

（3）本次强制放顶切眼较长，面积较大，炮眼较多，药量较大。为预防爆破瞬间冲击波的危害，消减爆破的振动效应，决定实施一次装药，分三区逐次起爆的分区起爆方案。即在全部炮孔装填堵塞完成后，将起爆网路分为三个爆区联接。

第一爆区为掏槽爆破区段，长63 m，共14 个炮孔，分5 个毫秒段。起爆顺序5+5b 和6+6b 孔为毫秒1 段，4 号和7 号孔为毫秒2 段，3 号和8 号孔为毫秒3 段，2 号和9 号孔为毫秒4 段，1+1b 和10+10b 号孔为毫秒5 段。两两对称呈“八”字形依次起爆。起爆总药量454.8 kg，最大起爆药量为毫秒5 段171.6 kg。

第二爆区为11 号炮孔至28b 号炮孔区段，长117 m，起爆炮孔24 个，分5 个毫秒段起爆。起爆顺序11、12、13/13b 号孔和14、15、16/16b 号孔为毫秒1 段，17、18、19/19b 号孔为毫秒2 段，20、21、22/22b 号孔为毫秒3 段，23、24、25/25b号孔为毫秒4 段，26、27、28/28b 号孔为毫秒5 段。该爆区总药量为1 029.6 kg，最大分段起爆药量为毫秒1 段343.2 kg。

第三爆区为29 号炮孔至回顺巷道的48b 号终端炮孔处，长130 m，起爆炮孔27 个，分5 个毫秒段起爆。起爆顺序29、30、31/31b 号孔和32、33、34/34b 号孔为毫秒1 段，35、36、37/37b 号孔毫秒2 段，38、39、40/40b 号孔为毫秒3 段，41、42、43/43b 号孔和44、45、46/46b 号孔为毫秒4 段，47、48、48b 号孔为毫秒5 段。该爆区总药量为1 161.6 kg，最大段起爆药量分别为第1、4 毫秒段，均为343.2 kg。

3 爆破施工注意事项

3.1 地面预先装药的准备工作

受井下切眼部位的环境限制，装药预先在地面分段装填组合。以Ф75 mm×4.0 m PVC 塑料管为装药护套管，先将导爆索装入管内，随后将Ф35 mm×0.2 m 规格的乳化炸药成型药卷，每3 个为一组，逐组装入护套内，并按各个炮孔的装药数量和装药长度，匹配不同长度的短节护套。

堵塞炮孔的炮泥，须提前在地面采用黄土和沙土加适量的水拌和均匀，经炮泥机加工挤出Ф60 mm×（120～150）mm 的泥棒装箱（袋）备用。为保证炮孔的堵塞质量，预先在地面制作孔口圆木楔子[6]，规格为Ф75 mm（小头）～Ф110 mm（大头）×300 mm，楔子两侧须开槽用于安置及保护电起爆网路，防止挤断起爆网路。

3.2 炮孔装药及堵塞注意事项

装药时把组装而成的带有导爆索的PVC 塑料药管同时用力向孔底方向顶推，最后一节装药管顶推至孔口时，须立即在其底部加装“逆止片”并将全部药管顶推到设计位置。随后接续推入制备的炮泥棒并经挤压使其和孔壁堵塞紧密，炮泥封孔长度须大于1/3 炮孔深度。为了防止逆止片刮断导爆索，本次装药在最末节装药PVC 管后面紧接着连接Ф16 mm×4000 mm 的导爆索保护套管[7]。装药时PVC 套管的推进角度要与炮眼方向完全一致，避免PVC 管折断，中途停顿时要防止药管从炮眼中溜出伤人，炮眼填塞水炮泥时一定要封实，封口木楔要钉紧。炮孔的装药结构如图2。

图2 药卷装药结构示意图

4 结论

（1）该爆破技术应用前，综采工作面基本顶初次来压前，为尽可能减小基本顶初次来压步距，多采取慢速推采（8.5 m/d）生产方式，基本顶初次来压步距105 m。采取该爆破技术后，工作面基本顶初次来压前，推采速度10.2 m/d，较以前提升10%，基本顶初次来压步距缩减至73 m，较以前降低30.5%，较大幅度延长了正常回采时间。

（2）该强制放顶爆破技术历经数次修改、完善、实践验证，最终形成了安全可靠、技术成熟、施工简单的综采工作面初采期间强制放顶安全技术，消除了煤矿综采工作面初采期间顶板灾害事故隐患，改善了煤矿井下现场作业安全条件。