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堅硬頂板深孔預裂爆破弱化技術應用

2019-11-15 來源：山西西山白家莊礦業公司作者：李志峰

1、1101工作面工程地質情況

1101 綜采工作面為塬林煤礦首采工作面，該工作面位于井田東北部，主要開采 1#煤層，1#煤層厚度為 5.82~0.7m，平均厚度為 2.46m，呈條帶狀結構，堅硬且具有韌性，平均傾角 3°，為井田內大部分可采煤層，1101 工作開切眼寬度為 6.5m，工作面采高為 2.3m，采用一次采全高工藝采煤。工作面運輸平巷寬 3.5m、高 2.4m，回風平巷寬 3.0m、高 2.4m，1#煤層上方直接頂為 0.5m 厚的泥巖，基本頂為 68m 厚的沙礫巖，且沒有明顯的分層。由于該基本頂巖層厚度大且垮落難，在破碎前無明顯變形，工作面非來壓期間，工作面頂板壓力一般較小；當頂板懸露面積較大時，會發生突然垮落的脆性破壞，對工作人員及機械設備產生安全威脅。

通過巖石力學實驗可知，厚硬砂礫巖單軸抗拉強度為 2.38MPa，內聚力為 3.25MPa，抗拉強度及內聚力較大，巖層厚且無明顯分層，節理裂隙不發育。礦壓觀測得基本頂初次來壓步距為 54.5m，周期來壓步距為 31m，基本頂初次來壓當量 Pe達到1114.12k N/m2，頂板來壓顯現非常強烈。

2、厚層堅硬頂板弱化的鉆孔布置及參數

通常通過爆破的方法減小基本頂懸露長度，以縮小其垮落步距，常用方法有循環淺孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽三種。而采用端部拉槽較其他兩種方法爆破工程量小，因而本工程選用端部拉槽方法來弱化基本頂。基本頂破斷后，其上覆巖層載荷作用于破斷的基本頂上，在工作面附近形成了“破斷基本頂 - 媒體 - 支架”的支護系統，綜合考慮工作面液壓支架型號、爆破技術及工程成本，且爆破循環步距應小于基本頂周期來壓步距，綜合考慮基本頂爆破循環步距確定為 30m。

2.1 深孔爆破基本參數設計

（1）爆破孔布置方式。預裂爆破的鉆孔可以分為兩部分，一部分爆破孔用于切斷工作面推進方向頂板間的聯系，另一部分爆破孔用于切斷工作面與巷道側頂板間的聯系。

（2）爆破孔直徑。爆破孔直徑的確定要綜合考慮炸藥的性能、煤巖體巖石力學參數、鉆孔機具、裝藥及封孔難易程度等。炮孔直徑過大則鉆眼速度較慢，炮孔直徑過小則無法達到應有爆破效果，根據工程實踐經驗及 1#煤層的地質條件，綜合確定炮孔直徑為 75mm。

（3）爆破孔長度。所需爆破巖層厚度越大，爆破孔越長，然而爆破孔長度較大則不利于鉆孔及裝藥的進行，現場實踐中，應在滿足安全及生產的情況下，盡量減小爆破孔長度。

（4）封孔長度。為保證安全及爆破效果，封孔長度應大于爆破孔長度的 20%~30%。

（5）一次最大起爆藥量。根據《爆破安全規程》規定，圍巖在中等穩定情況下，支護狀況良好的巷道安全振動速度約為 20cm/s，考慮一定的爆破安全系數，一次最大起爆藥量取 450~550kg。為減小爆破對巷道圍巖及工作面液壓支架的影響，一次起爆藥量要控制在 250~300kg 以下，在不影響工作面推進速度的前提下，可以考慮選用單孔起爆方式。

2.2 開切眼內深孔爆破鉆孔布置及參數設計

工作面開切眼內頂板弱化的爆破鉆孔布置如圖1 和表 1 所示。在切眼完成后，支架安裝前，距離采空區 1m，沿 120m 切眼全長布置 8 組 22 個爆破鉆孔，其中 1、2、3 和 20、21、22 對稱布置，4、5、6 和 17、18、19 對稱布置，7、8、9 和 14、15、16對稱布置，10 和 13 對稱布置，11 和 12 對稱布置。現場施工中，鉆孔與頂板夾角均取 30°，考慮煤層厚度變化及殘眼的存在，前兩組鉆孔均長 16m，孔底距離煤層上方 8m，第三組鉆孔均長 20m，孔底距離煤層上方 10m。

表 1 開切眼內鉆孔布置及爆破參數

圖 1 工作面開切眼內深孔爆破預裂弱化頂板鉆孔布置圖

2.3 兩巷內深孔爆破鉆孔布置及參數設計

在進、回風平巷內，朝工作面施工深 3.5m、寬4m 的鉆場硐室，在兩巷內超前工作面的鉆場硐室進行頂板預裂工作，以切斷工作面與巷道上部頂板間的聯系。如圖 2 所示，在鉆場硐室內布置 A、B、C、D、E、F、G、H 共計 8 個炮孔，其中 A、B、C、D、E、F 平行于工作面扇形布置，F、G、H 斜交于工作面扇形布置，鉆孔布置及爆破參數如表 2 所示。

3、工業性試驗

工作面開切眼推進 4 刀后進行裝藥、連線和爆破工作，采用炮棍進行炸藥填塞，采用不耦合裝藥方式，采用兩根導爆索進行炸藥起爆工作，導爆索采用瞬發電雷管起爆，兩根雷管并聯連接。采用BF-200 型起爆器進行起爆，從切眼中部向兩端進行爆破，分組裝藥、分次爆破。兩巷內深孔預裂爆破頂板步距按 30m 設計，從工作面開切眼直至該工作面回采完成止，以保證工作面初次來壓及周期來壓步距均在 30m 以內，裝藥與封孔工序與切眼爆破相同，爆破順序同樣是由工作面中部向兩端進行。

根據該礦瓦斯情況，選用 2 號煤礦許用乳化炸藥，藥卷直徑為 60mm，長度為 500mm，1.5kg/ 卷，適用于低瓦斯礦井采掘工作面。導爆索選用煤礦許用導爆索，規格為 Φ5.2~5.5mm，雷管選用煤礦許用 8#普通瞬發電雷管。

回采期間對工作面進行礦壓觀測，通過壓力表對液壓支架工作阻力進行監測，在工作面上部、中部、下部布置三個礦壓觀測站，每個測站觀測 4 組支架。1101 工作面從回采開始，共計預裂頂板 8 次，切眼預裂 1 次，兩巷預裂 7 次，深孔預裂爆破后工作面液壓支架工作阻力隨工作面推進變化情況如圖3 所示。通過圖 3 觀察可知，對頂板進行深孔預裂爆破后，工作面液壓支架工作阻力明顯降低，頂板來壓緩和，頂板最小來壓步距為 13m，最大來壓步距為 22m，上覆巖層懸頂面積大大減小，保證了工作面的回采安全。

表 2 兩巷內預裂頂板鉆孔布置及爆破參數