厚层坚硬顶板爆破弱化控制技术研究

王建伟

摘 要：本文基于厚层坚硬顶板的典型地质特征和理论分析结果，确定了垂向爆破弱化高度和循环爆破步距。通过顶板爆破弱化方案设计，将切眼拉槽爆破与两巷超前深孔爆破弱化技术有机结合，设计了炮孔布置方式、钻孔参数、钻具、装药量及工器具等，形成了厚层坚硬顶板爆破弱化控制成套技术，并通过现场观测，证实了该技术的合理性。希望本文的研究能对类似地质条件下工作面坚硬顶板管理提供借鉴。

关键词：坚硬顶板;爆破弱化;垮落步距;爆破循环步距

中图分类号：TD327.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）20-0087-03

Research on the Control Technology of Heavy Layer Hard Roof Blasting

WANG Jianwei1，2

（1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400037;2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400037）

Abstract： Based on the typical geological features and theoretical analysis results of thick hard roof， this paper determined the weakening height of vertical blasting and the cyclic blasting step By weakening roof blasting scheme design， pull cut blasting with two lane ahead of deep hole blasting weakening an organic combination of technology， this paper introduced the roof height， hole arrangement， drilling， drilling tool， design parameters control and instrument. A complete set of technical measures to reduce the control of hard roof blasting in thick layer was formed， and the rationality of the technical measures was confirmed by field observation. It is hoped that this study can provide reference for hard roof management of working face under similar geological conditions.

Keywords： hard roof;weakening blast;caving step distance;blast cycle step

隨着综合机械化采煤技术的发展，高产高效工作面对爆破弱化处理的顶板管理技术提出了较高要求[1]。本文结合工程实际，基于厚层坚硬顶板的弱化方案分析、控制区域理论计算，有机结合切眼拉槽爆破和两巷超前深孔爆破弱化技术，着重分析顶板处理高度、炮孔布置方式、钻孔设计参数、钻具、装药量及工器具、钻具钻杆及封孔等技术参数，并结合现场观测，证实上述技术措施的科学合理性。

1 爆破弱化方案和控制区域分析

1.1 坚硬顶板爆破弱化方案

爆破弱化强制放顶措施一般可分为四类：循环式浅孔爆破、步距式深孔爆破、地面深孔爆破及超前深孔预裂爆破[2]。其中，超前深孔预裂爆破在两巷或专用巷道（工艺巷）内施工，可实现生产与顶板管理平行作业，有利于工作面的高产高效，施工方便，简单易行。

1.2 基本顶弱化控制区域分析

根据工作面生产需要，基本顶弱化处理应满足两个指标：一是基本顶能及时垮落并充满于采空区，即需要在煤层垂直方向上保持一定的弱化高度;二是防止工作面压架现象的发生[3]。为了保证基本顶垮落后能充分充填采空区，爆破的有效放顶高度应满足垮落后的岩石碎胀充满回采的高度。

某矿主采2#煤层，平均厚度4.43m，基本顶以中砂岩为主，硬度和抗压强度较大，岩石破碎后体积碎胀系数取1.3，采高取4.32m，计算可得爆破有效放顶高度为14.4m。额定支护阻力下限取810kN/m3，控顶宽度取5.75m，直接顶充填系数取0.58，根据有关行业标准提供的顶板分类法，计算可得周期来压步距为24.9m。因此，工作面爆破弱化垂直高度不得小于14.4m，循环爆破步距不得大于25m。

2 爆破弱化钻孔设计

2.1 切眼处顶板爆破弱化设计

2.1.1 炮眼钻孔设计。采用60mm钻头施工孔深为16m的1号孔，42mm钻头施工深度分别为9m和5m的2号、3号孔。每组炮眼排距3.0m，两架一眼，炮眼布置如图1所示。推进2个循环后装药、爆破、切断顶板，选择矿用乳化炸药。

2.1.2 装药与封孔。直径60mm的钻孔装药时，采用内径为50mm、管间用管接头连接的PVC管作为炸药载体，保证装药刚度，便于将药包送入炮眼底部。工艺流程为：将PVC管沿直径方向开切1/4的宽度，并运至施工地点;然后根据炮孔长度和封泥长度确定导爆索长度;最后将药包和导爆索放入加工好的PVC管中，并用胶带纸进行绑扎[4]。

装炮孔时，采用炮棍将装有药包和导爆索的PVC管以及炮泥等装入炮孔内，要求必须将药包推至孔底。封孔时分步进行：第一步，先封至距炮孔孔口1.0m处;第二步，将雷管、导爆索捆绑牢固后塞入孔内空段后，再次封堵1.0m的空段。

在装42mm钻孔时，每次装Φ35mm×180mm炸药5～6卷，采用木制炮棍将药包和导爆索装入炮孔内。为确保炮眼内药包完全引爆，炮眼采用耦合方式装药，采用双雷管，双导爆索引爆，导爆索采用瞬发电雷管起爆，2个雷管在孔外并联连接，并在孔口处用刻有浅槽的木塞将其固定。

2.2 两巷超前爆破弱化设计

2.2.1 炮孔布置及钻孔设计。坚硬顶板两巷深孔爆破的炮孔布置主要分为两个部分：一个是切断巷道帮上部与顶板的连接;另一个是切断顶板与顶板的连接。运输平巷和回风平巷每隔20m布置一组炮孔，每组为上下分层，每层4个炮孔，上层炮孔与煤层垂直距离为15m，下层炮孔与煤层垂直距离为10m，炮孔直径为60mm。超前钻孔布置如图2所示。

2.2.2 两巷超前深孔爆破位置。第一组深孔爆破预裂时间为：最优时间应在工作面开切眼前，若不能实施，可在工作面开切眼后未安装液压支架之前，亦可在工作面开切眼内安装液压支架后，工作面推进前。

后续组别深孔爆破预裂时间：深孔爆破预裂顶板钻孔爆破时间或位置应在钻孔孔口距工作面35m左右，当孔底位置离煤壁水平距离最小（10m）时，开始装药（若打孔速度较快，能超前工作面尽量超前），离煤壁9m时（对支架无影响的最小距离）起爆[5]。

3 实施效果考察

在工作面9#、18#、27#、36#、45#、54#、63#、72#和81#共9个液压支架的前柱及后柱上各安设一台CDW-60支架工作阻力记录仪，用以监测工作面推进过程中顶板来压情况。在距离切眼45m处布置第一个钻孔应力计，钻孔深度最大12m，最小5m，各孔间隔5m。在两巷超前55m和80m处各布置2个巷道变形观测点。

3.1 直接顶初次垮落情况

从支架阻力变化时程及现场观测来看，直接顶初次垮落步距11.3m，支架最大平均阻力5 372kN，平均加权阻力4 128kN，来压显现不明显。直接顶初次垮落后随采随垮，垮落体较破碎，偶有厚60cm、面积约10m2的块体，支架后方3～4m处垮落高度超过支架3m。从两端来看，支架后方7m处，顶板垮落高度为7～10m。由此推测，爆破充分增加直接顶破碎度及裂隙发育程度，垮落情况较好。

3.2 基本顶来压情况

当工作面推进到34.79m时基本顶初次来压，加权平均阻力4 282kN;第一次周期来压平均步距23.59m，加权平均阻力4 379kN;第二次周期來压平均步距18m，加权平均阻力3 764kN;第六次周期来压平均步距23.44m，加权平均阻力3 728kN。

从基本顶三次来压情况看，第一次周期来压显现和步距比第二次大，原因是第一次爆破孔的角度不正确，未实施爆破切顶;第六次周期来压显现比较强烈，原因是循环爆破步距由20m增大至40m。其间支架受到较大冲击，少数支架存在卸压现象。深孔爆破有效增加了直接顶及基本的顶破碎度及裂隙发育程度，缓解了来压强度。爆破迫使直接顶随采随垮，减少顶板垮落时位的能转化量，降低来压时的动载系数[6]。

3.3 工作面压力分布情况

3.3.1 工作面支架阻力分析。72号架平均加权阻力3 258kN，54号架最大平均工作阻力6 085kN，9号支架最大平均阻力4 052kN。可见，在工作面端头40m内实施两巷超前爆破可以弱化顶板强度，减少来压步距，减弱来压强度。工作面中部走向50m范围内未爆破弱化，步距及强度较两端大。

3.3.2 两巷侧向支撑压力分布规律。根据两巷钻孔应力的测定数据，人们可以得出巷道两帮的侧向压力峰值位置和影响范围。回风平巷应力峰值在10m处，压力为6.89MPa;运输平巷应力峰值在6m处，压力10.6MPa。

3.4 两巷支撑及断面收敛

两巷在开采期间变形较小，巷道顶底板移近量在100mm左右，两帮移近量在110mm左右。两帮移近量与顶底板移近量相差不大。这主要是因为采深较小，原岩应力较小，开采煤层围岩条件较好，巷道两帮煤质较硬，巷道两帮松动圈较小，同时采取上述顶板弱化措施，明显改善了工作面及巷道的矿压显现强度。平巷两帮及顶底板移近量如图3所示。

4 结论

①基于上述关于顶弱化控制区域分析方法，确定工作面弱化垂直高度和爆破循环步距，能够较好指导厚层坚硬顶板的爆破弱化区域规划。计算确定的爆破弱化垂直高度不得小于14.4m，循环爆破步距不得大于25m，应用于本次厚层坚硬顶板的弱化区域规划后，效果良好。

②工作面顶板爆破方案将切眼拉槽爆破和两巷超前深孔预爆破弱化顶板有机结合，是科学合理的。实践证实，爆破弱化覆盖范围内顶板来压较为缓和，中部区域未能爆破弱化覆盖，来压显现相对较为强烈。循环爆破步距的增大对工作面周期来压步距影响较小（自20m增至40m），但对工作面来压显现影响较大。

需要说明的是，上述关于不同炮孔装药过程中采用的工器具，在现场施工中有效提高了顶板爆破弱化的施工速度和工效，为工作面高产高效环节的实施起到了关键作用。

参考文献：

[1]朱志洁，王洪凯，张宏伟，等.多层坚硬顶板综放开采矿压规律及控制技术研究[J].煤炭科学技术，2017（7）：1-6.

[2]朱家胜，张兆威.基于水力压裂法的补连塔矿初次放顶技术分析[J].煤矿安全，2018（2）：77-80.

[3]黄炳香，赵兴龙，陈树亮，等.坚硬顶板水压致裂控制理论与成套技术[J].岩石力学与工程学报，2017（12）：2954-2970.

[4]杨俊彩.高压水预裂强制放顶技术在神东矿区应用[J].煤矿安全，2017（1）：63-68.

[5]王金鑫.深孔预裂爆破在综放工作面坚硬顶板控制中的试验研究[J].煤矿安全，2018（1）：73-75.

[6]焦振华，王浩，卢志国，等.厚层坚硬石灰岩顶板深孔预裂爆破技术研究[J].煤炭科学技术，2017（2）：21-26.