断顶爆破在4310 工作面防治冲击地压的研究和应用

王龙飞 赵燕席 王 飞

（济宁能源发展集团有限公司义桥煤矿，山东 汶上 272511）

为做好义桥煤矿4310 工作面回采期间的冲击地压防治，防止回采过程中工作面压力过大带来的潜在冲击危险，对工作面煤层进行松动爆破预卸压处理，随采煤工作面推进逐步释放煤层聚集的弹性能，减弱工作面冲击危险性，就采用顶板爆破预裂对4310 工作面切眼和两顺槽顶板进行了处理[1-8]。

1 概述

4310 工作面位于义桥煤矿四采区胶带下山以北，并以采区胶带下山为工作面胶带顺槽，北面为原4308 工作面轨道顺槽，4310 工作面轨道顺槽距离4308 采空区最近处30 m，东侧为四采区轨道巷，西侧为FY19 断层。开采水平为-335m 水平，工作面标高为-546.5～ -630.6 m，地面标高为+44.5～+45.2 m，煤层埋深591.0～675.8 m，平均633.4 m。工作面开采煤层为早二迭系山西组3 煤层，以亮煤为主，次为暗煤，煤层结构较简单，厚度较稳定。由于受断层FY19 的影响，煤层倾角局部变大。根据山东科技大学《4310 工作面冲击地压危险性评价报告》得出4310 工作面为“中等冲击工作面”。为防止回采后采空区顶板坚硬岩层因悬顶面积过大突然垮落时造成的强烈冲击影响，工作面回采前对工作面切眼、两顺槽进行顶板爆破断顶预裂。

2 钻孔布置参数

地质柱状图显示，4310 工作面与坚硬顶板之间的平均距离为17.1 m。为了达到降低冲击地压危险性的目的，选取顶板深孔爆破垂高17.1 m，根据炮眼深度的计算如式（1）：

式中：L为钻孔的理论深度；h1为伪顶和直接顶的深度；h2为顶板中细砂岩的深度；α为钻孔的设计倾角。

设计钻孔深度为20 m，倾角为60°，轨顺施工钻孔朝工作面外倾斜，如图1（a），皮顺施工钻孔朝工作面内倾斜，如图1（b）。

图1 工作面断顶钻孔布置示意图

炸药爆炸后，从爆破原点向外依次形成三个区段，分别为压碎区、裂隙区和震动区。通过爆破作用产生的影响作用主要为压碎区和裂隙区，只要计算出两者之间的具体范围，就可以确定出钻孔之间的深度和间距。顶板预裂爆破是在顶板深孔中进行的，不耦合装药时，应该按照爆炸应力波来计算出卸压爆破的压碎区和裂隙区的具体范围。经计算炸药爆炸后形成的裂隙区半径为2.3 m，直径为4.6 m，去掉压碎区后设计炮眼之间裂隙带的间距为10 m。

3 装药量参数

已知空气不耦合装药条件下，炮眼壁上产生的冲击压力Pc为：

式中：Lc为钻孔中药卷的总长度；La为钻孔中封孔的总距离；ρe、D分别为炸药密度和爆速，ρe=1.20×103kg/m3，D=4400 m/s；dc、db分 别 为 炸药和炮孔直径，Φ58 mm（3 株药卷捆绑在一起）和Φ76 mm；n为爆生气体碰撞岩壁时产生的应力增大倍数，n=8～12，取12。

当Pc≤KbSc时，要充分考虑到爆破原始点产生的冲击波压力在煤岩体中不断地衰减，由式（2）可以得出每米钻孔的装药长度：

式中：α为冲击波应力波在煤岩体中的衰减指数，取值α=2.0；Kb为应力状态下煤岩体抗压强度的增大系数，取Kb=5.5；Sc为煤岩体单轴抗压的强度，义桥煤矿取Sc=105 MPa。

根据J.R.不里克曼的套管分离理论，爆破套管能够分隔爆炸冲击波产生的能量，爆破产生气体分析可以研究爆破能量的不同分区情况。首次冲击波能量约占炸药总能量的10%～20%左右，爆炸产生的气体膨胀能量约占炸药总能量的50%～60%左右，故爆炸产生的气体膨胀能量破坏作用最大。冲击波能量主要作用在压碎区，而气体膨胀能量作用在裂隙区，其余的20%～30%的爆炸能量由于损失掉而变为无用能。

其中考虑到首次冲击波主要用于煤岩体压碎区、裂隙区的形成和扩展，其能量为一个区间，因此取一个能量平均值15%。经计算，每米钻孔需要的装药长度为：

爆破钻孔孔底装药长度为7 m，其中4 m 位于顶板粉砂岩岩层内，3 m 位于顶板细粒砂岩岩层内（见图1）。

4 爆破参数及技术要求

炸药使用煤矿许用三级乳化炸药，规格主要为Ф27 mm×250 mm，150 g/支；雷管主要使用煤矿许用Ⅰ～Ⅴ毫秒延期电雷管，总延期时间不能超过130 ms；放炮母线必须使用铜芯阻燃爆破母线（长度300 m）；封孔使用规格为Φ32 mm×250 mm 的水泥药卷；爆破筒采用PE 管（内径Ф60 mm），使用长度12 m，每孔装药12.6 kg，每三支炸药用胶布集束在一起，放入爆破筒内，爆破筒装药长度7 m/84 支，同段位毫秒延期电雷管14 发；水泥药卷封孔长度不小于3 m，其余用黄泥封孔。具体钻孔爆破参数见表1。

表1 工作面爆破断顶孔施工爆破参数表

装药的具体结构如图2。

图2 装药具体结构效果

该次顶板预裂爆破共设计钻孔53 个，受现场环境影响，实际施工爆破孔50 个。钻机队历时7 d，爆破队用时13 d，完成全部爆破工作。

5 效果检验

工作面区域监测采用微震监测（如图3），局部监测方式采用应力在线与钻屑法配合进行监测。选取SOS 微震监测系统对工作面进行冲击地压危险实时监测，微震监测系统能够全覆盖整个4310 工作面，通过矿震时释放能量的大小来确定冲击地压发生的危险程度。

图3 4310 工作面回采期间微震测站布置平面图

其中断顶爆破预裂事件集中在6 月20 日至7月3 日，根据现场微震监测，能量事件发生情况如图4。其中6 月6 日至6 月19 日发生2 次大能量事件，能量级数最大级数为1.0×103J；6 月20 日至7 月4日发生50次大能量事件，最大能量级数9.0×103J；7 月4 日至7 月18 日发生2 次大能量事件，能量级数为101J，能量级数下降2 个单位级。

图4 4310 工作面能量事件发生情况统计图

6 结论

（1）回采过程中采用爆破断顶的方法，回采过程中可不施工大直径卸压钻孔；若回采过程中仍存在高应力集中区，可在高应力集中区附近施工大直径卸压钻孔。

（2）断顶爆破预裂中难点集中在钻孔施工和后期装药连线过程中，其中为减少对现场施工的影响，采取提前打眼、集中爆破的工艺，即提前准备好深孔爆破眼，集中一个班次逐个爆破。

（3）断顶爆破钻孔施工后应立即进行装药爆破，防止钻孔放置长时间后受泥岩和应力作用造成钻孔变形，给后期装药爆破造成影响。

（4）断顶爆破预裂技术造成顶板破坏影响，给后期回采支护带来困难，同时装药阶段较为原始，主要为人力装药，需要人数较多，如果增加钻孔深度，后期装药将会更加困难。

（5）断顶爆破预裂技术分区域采用，后期应采用微震进行区域监测，采用钻屑法进行局部监测。