五家沟煤矿坚硬顶板工作面深孔爆破放顶技术

穆玉林

（中煤科工山西华泰矿业管理有限公司五家沟矿，山西 朔州 036000）

1 工程概况

五家沟煤矿15301 综放工作面布置在5-1 号煤层，5-1 煤埋深81.5～96.96 m，北部埋深较浅，南部埋深相对较深，呈现东南高西北低的特征；煤层倾角约1°～7°，平均3°；揭露的煤厚为3.4～10.0 m，平均8.23 m；煤层中含有两层0.20 m、0.27 m 左右的夹矸。煤层地质探测孔钻探期间记录的顶板岩性结果如图1。

由图1 可知，煤层顶板至地表多为各类砂岩层，完整性好，厚度大，层间结合良好，是典型的大厚度坚硬顶板。由于工作面埋深浅，顶板厚硬，开采过程中顶板易悬顶，悬顶破断后易造成强矿压显现，对安全生产造成不利影响。因此，需通过深孔预裂爆破对坚硬顶板进行强制放顶处理[1-5]，保证工作面安全回采。

图1 5#煤顶底板柱状图

2 顶板深孔爆破技术方案设计

2.1 深孔爆破钻孔设计原则

根据15301 工作面顶板地质情况，煤层顶板至地表可看作一个连续的巨厚的砂岩岩板，因此深孔爆破设计的目标为纵向上破坏顶板完整性，爆破终孔位置放在顶板厚度的中间位置；横向上破坏顶板的连续程度，两顺槽布置切顶孔将顶板从顺槽处切断，使工作面顶板形成悬臂梁结构，同时施工工作面内部顶板的炮孔，破坏梁式结构，使其提前破断、垮落。

2.2 深孔爆破钻孔参数

2.2.1 炮孔直径

深孔爆破顶板的炮孔直径选择在60～90 mm 之间。若炮孔直径选择太小，会导致装药困难，且爆破影响范围较低，达不到预期爆破效果；若炮孔直径太大，会导致封孔时封堵不严密，封泥漏出，进而引发“冲孔”的现象，存在较大的安全隐患。结合15301 工作面条件，炮孔直径为Φ80 mm。

2.2.2 炮孔间距

结合工作面实际围岩条件，通过数值模拟法模拟爆炸过程。模拟中采用直径60 mm 的药卷和直径80 mm 的炮孔，两个爆破孔模拟时，炮孔间距设置为5.0 m。模拟结果如图2、图3。

图2 单孔爆破周围裂纹

图3 双孔爆破孔裂缝叠加状态

通过模拟结果可知，在炸药起爆90 μs 后，炮孔周围出现大范围的破坏，多为次裂纹；起爆350 μs 后，炮孔四周出现4 条主裂纹，均为径向。随着爆破应力波的继续传递，主次裂纹继续向四周扩展，其中次裂纹主要向随机方向扩展，主裂纹主要沿径向扩展，局部偏向具有一定随机性。爆破结束后，裂纹扩展随之终止，径向主裂纹的平均扩展长度为2.48 m。双孔起爆时，主次裂纹的条数较单孔爆破时增多，且两个炮孔间的裂纹能够形成贯通。因此，当药卷直径为60 mm、炮孔直径为80 mm 时，5.0 m的炮孔间距可以满足工作面爆破放顶的需求。

2.2.3 炮孔深度

炮孔深度需根据工作面的赋存条件及放顶要求进行确定，结合以往类似工程经验，确定炮孔深度不超过70 m，避免装药时出现“卡孔”，同时便于现场打钻施工。

2.2.4 封孔长度

炮孔封孔时需保证封堵严实，保证爆破裂纹向预定范围扩展，并防止孔口出现抛掷漏斗的现象。深孔爆破时，封泥长度不得小于孔深的1/3。

2.2.5 爆破超前工作面距离

为避免煤岩体在支承压力的作用下出现塌孔的现象，打孔、装药、爆破均要避开工作面支承压力的作用范围。同时爆破后让支承压力对煤岩体进行二次破碎，达到较好的破碎性能，以致使顶板破坏。

工作面的超前支承影响范围一般在30～60 m，因此，深孔预裂爆破需要超前工作面至少40 m。

2.3 炮孔布置方案

根据探明的顶板柱状图，钻孔终孔位置要穿过顶板的含砾石粗砂岩岩层，由于钻孔长度、角度过高将不易装药，且现场钻机无法施工45°以上的钻孔，因此将炮孔垂高定为35 m。

工作面切巷及两顺槽施工深孔爆破炮眼如下：

切巷布置两排钻孔，前排E 组钻孔布置8 个，钻孔倾角45°，钻孔长度50 m，垂直高度36 m，炮眼直径75 mm，间距5 m，偏向主运顺槽方向，水平方向与切巷平行，开孔位置距离切巷后帮1 m，用于切断顶板覆岩关键层含砾粗砂岩；后排F 组钻孔布置10 个，钻孔倾角30°，长度30 m，垂高15 m，主要爆破煤层及直接顶粉砂岩，炮眼直径75 mm，间距5 m，偏向主运顺槽方向，水平方向与切巷平行，开孔位置距离切巷后帮1 m。

工作面两顺槽各布置了18 组炮眼，每组3 个，共计27 个。为达到将工作面顶板切断的目标，每组钻孔间隔5 m。第一组钻孔距离工作面10 m，处理50 m 范围内的顶板。所有炮孔的参数见表1。

表1 爆破炮孔参数表（每组数量）

3 深孔爆破工艺

3.1 装药工艺

为防止残炮、拒爆现象，凹槽可保护线缆等不被拉断，确保所有启动剂完好。所有“炸药”采用爆破筒填装，筒规格Ф63 mm（炸药可按Ф32 mm），将炸药填入“凹槽”筒内，每节凹槽筒长2 m，再向炮孔内填送炸药。

为了防止深孔爆破过程中拒爆、残爆的产生，每2 个爆破筒安装一个起爆药剂，每米装入药量约2.2 kg。

3.2 起爆工艺

通过串联的方式将各组爆破筒中的雷管相连，爆破筒之间再进行大串联，即每个炮孔通过串联的方式依次起爆。采用精密测电阻起爆器，防止出现炮孔拒爆的现象。为提升效率，也可一次同时起爆2～4 个炮孔。

4 应用效果分析

为分析15301 工作面坚硬顶板爆破卸压效果，在工作面上部、中部及下部共计布置15 个监测站，对爆破前后工作面的支架阻力进行监测分析。监测结果如图4、图5。

图4 爆破前支架工作阻力

图5 爆破后的支架工作阻力

由图4 可知，对顶板进行深孔爆破前，工作面液压支架的整体工作阻力较高。上部监测区域支架最高工作阻力达到了37.4 MPa，中部监测区域支架最高工作阻力达到了45.7 MPa，下部监测区域支架最高工作阻力达到了51.5 MPa。

由图5 可知，对工作面顶板实施深孔爆破技术后，上部监测区域支架最高工作阻力为28.4 MPa，中部监测区域支架最高工作阻力为25.1 MPa，下部监测区域支架最高工作阻力为26.5 MPa，较未爆破前总体降低了约30%，说明该技术方案有效切断了厚硬顶板的应力传递，卸压效果显著。

5 结论

为解决15301 工作面坚硬顶板垮落不及时造成悬顶面积大，进而引起矿压显现剧烈的问题，提出了深孔预裂爆破强制放顶技术。通过理论分析及数值模拟对炮孔直径、炮孔间距、炮孔深度及封孔长度等参数进行了确定，并对工作面开切眼及两顺槽的爆破钻孔布置进行了设计，为避免塌孔，预裂爆破至少超前工作面40 m 施工。现场应用结果表明，对工作面顶板实施深孔爆破技术后，工作面支架工作阻力总体降低了约30%，卸压效果显著。