深孔预裂爆破在工作面强制放顶中的应用研究

田 野

（潞安集团慈林山煤业有限公司，山西 长治 046000）

1 工程地质概况

慈林山煤矿15103工作面开采太原组一段的15#煤层，煤层厚度为1.7～5.8m，平均煤层厚度为3.5m，工作面倾向长130m。工作面直接顶为泥岩、砂质泥岩，是Ⅲ类稳定型顶板，老顶为细粒砂岩，平均厚度为6.6m。根据经验估算，老顶的来压量Pe为1050kPa，初次来压强度大，由于工作面老顶坚硬，不易垮落，容易造成大面积悬顶，威胁工作面安全回采。煤层顶底板情况如下表1所示。因此，在工作面回采过程中，必须人工强制放顶，以减少工作面顶板悬顶面积，保证工作面的安全回采。

2 深孔爆破方案设计

2.1 炮孔设计参数

工作面钻孔采用现有型号为ZDY1900S钻孔机进行施工，钻杆的直径为75mm。根据现场实际地质条件和施工机具，选用2#矿用炸药及矿用电雷管进行爆破，药卷直径为50mm。合理的封孔长度是爆破效果达到最佳的关键因素之一，封孔过长会导致爆破的破碎能力降低，无法使顶板形成大量裂隙，达不到放顶的目的，如果封孔过短，爆破时，爆炸产生的冲击波将封孔材料推出炮孔，从而无法形成气楔，导致爆破失败[1-3]。因此，根据现场爆破经验，封孔长度一般为炮孔长的30%，为7.8m。

2.2 有效放顶高度

该矿15103工作面的煤层厚度为3.5m，利用公式（1）可以计算爆破强制放顶的有效深度H。

式中：

M-煤层厚度，m；

Kp-工作面顶板岩层碎涨系数，取1.3。

由公式（1）计算可知：H=11.7m，根据计算结果，确定爆破的有效高度为12m，即该工作面厚6.6m老顶的上部。

2.3 工作面顶板各岩层载荷

根据该工作面综合柱状图，煤层老顶以上岩层依次为砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、煤、泥岩、石灰岩，其岩石力学物理参数如表2所示。根据关键层理论计算出各层载荷[4]。

表1 15#煤层顶底板情况表

表2 顶板各层岩石力学参数

（1）煤层老顶所受载荷

细粒砂岩自身载荷q1为：

第二层对第一层岩层产生的作用，则有：

第三层对第一层产生的作用，则有（q3）1：

第四层对第一层岩层产生的作用，则有（q4）1：

第五层对第一层产生的作用，则有（q5）1：

同理可计算得到第六、第七层作用。

计算得到第六、第七层分别作用258.65kPa以及257.34kPa，第七层作用小于第六层作用，因此，可知：第一层老顶的载荷为258.65kPa。

（2）老顶初次来压步距计算

假定老顶为固支梁，计算其初次来压步距。

式中：

h-老顶厚度，6.6m；

RT-岩石的抗拉强度，一般细粒砂岩的抗拉强度范围为4.2～7.8MPa之间，此处，取值为6MPa；

q-老顶岩层载荷，258.65kPa。

为了保证回采安全，爆破强制放顶步距取老顶初次来压步距的1/2，即22.45m。

2.4 炮孔布置方案

根据工作面长度，共布置6组爆破炮孔，每组包含两个炮孔，炮孔间距为9m，炮孔的各项参数相同。炮孔的长度为24m，与工作面走向垂直，与工作面倾向成30°夹角，炮孔的终孔高度为12m，每个炮孔的装药量为33.5kg，封孔长度为7.8m。炮孔布置示意图如1所示。

图1 炮孔布置示意图

3 爆破技术分析

3.1 装药技术

本次爆破采用炸药是2号矿用乳化炸药，由于该型炸药偏软，因此，在装药时容易发生磨损破坏。为了避免破坏，装药时，载体采用可以防静电的PVC管。由于该工作面的采高为3.5m，炮孔的长度是24m，因此，采用8根长3m的PVC管，且在每段PVC管端头设置卡槽，方便管管之间的连接。炮眼采用连续耦合的装药方式，起爆方式为双雷管引爆。PVC管端头连接示意图如图2所示。

图2 PVC管端头连接示意图

3.2 装药量计算

根据参数设计，每个炮孔的装药量为33.5kg，工作面共布置6组12个炮孔，因此，总装药量为402kg。但由于一些钻孔塌孔，PVC管在插入过程中受到挤压变形，炮孔周边存在较大的煤岩裂隙，因此，在工作面实际装药过程中，一部分炮孔装药量低于设计装药量，现场统计装药总量仅为365.5kg。具体炮孔装药量如表3所示。

表3 各炮孔实际装药量

3.3 爆破产生CO量计算

此次爆破试验所用的炸药为二号矿用炸药，该炸药的爆炸反应方程式如下式所示：

爆破所用实际炸药量为365.5kg，依据上述方程式及质量守恒定律（即反应过程中，反应前后原子的种类、数目及质量没有变化，因此，化学反应前后各物质的质量总和必然相等），可得：爆破产生CO量为5.89kg，CO2的产生量为55.48kg，N2的产生量为97.58kg。工作面倾向长130m，宽3.2m，高度为3.6m，空气的密度为1.29kg/m3，由此可计算出，爆破前工作面空气量M为1931.90kg，爆炸后工作面的空气总量为2090.85kg。由此，可计算出爆破后工作面空气中CO含量为2.81×10-3。爆破后，利用检测仪器在工作面回风巷道检测空气中CO的含量为2.70×10-3，检测值与理论计算值相近。因此，该爆破后工作面空气中CO含量的计算方式可以作为其他工作面深孔预裂爆破后空气中CO含量的计算方式。

3.4 爆破后通风时间

由于爆破会产生大量CO、CO2、N2等有害气体，因此，工作面爆破后进人前需要一定的时间进行通风排除有害气体。该工作面的体积V为1497.6m3，按照《煤矿安全规程》相关规定，工作面的最大风速不得超过4.0m/s，最小风速不得低于0.25m/s，根据工作面宽度3.2m，高3.6m，可计算得到最长通风时间tmax及最短通风时间tmin。时间t1计算公式如下：

计算得到最短通风时间为32.5s，最长通风时间为520s。

15103工作面的配风量为1830m3/min，即30.5m3/s，按工作面配风量计算时间t2的计算公式如下：

t2=V/Q=1497.6/30.5=49.1s

由于32.5＜t2＜520，为了安全起见，爆破后需通风520s后，人员方可进入工作面进行作业。

3.5 爆破效果

工作面回采22.5m后，根据设计方案对工作面顶板进行深孔爆破，爆破后，工作面顶板垮落，冒落的破碎岩块基本充满液压支架后方采空区，工作面采空区顶板由固支梁结构变为悬臂梁结构，当工作面推进至45m附近时老顶初次来压，支架工作阻力急剧上升。由于初次放顶后，顶板冒落岩块几乎充满后方采空区，所以工作面推进后，顶板岩层垮落，有效减轻了工作面初次来压顶板大面积垮落带来的冲击，保证了工作面人员和设备的安全。

4 结 论

针对15103工作面老顶为细粒砂岩、坚硬不易垮落的情况，为保证工作面安全生产，需采取深孔爆破进行强制放顶，对深孔爆破参数进行设计，并把握好以下操作环节。

（1）装药时，采用防静电的PVC管作为载体，并且PVC管端头设置卡槽方便连接，有效避免乳化胶炸药装填过程中存在较大的磨损，提高整体装填速度、效率。

（2）采用连续耦合的装药设计，应用双雷管+双导爆索的引爆方式，有效防止哑炮事件出现。6组12个炮孔全部实现一次爆破。

（3）强制放顶后，顶板冒落岩块几乎充满后方采空区，有效减轻了工作面初次来压顶板大面积垮落带来的冲击，保证了工作面人员和设备的安全。