工作面悬顶定向爆破预裂处理技术研究

王军平

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 晋中 045400）

阳煤集团寿阳开元矿业由于顶板较为坚硬，工作面回采过后两顺槽后方形成悬顶，不易垮落，悬顶区产生瓦斯积聚，在悬顶突然垮落时，大量瓦斯涌出进入工作面和回采巷道，造成瓦斯超限，风险突出[1-3]。以9714 工作面为研究对象，研究悬顶治理技术。

1 工程背景

9714 工作面开采9#煤层，走向长度1200 m，倾斜长度220 m，煤层平均厚度5.1 m，煤层平均倾角4°，采用综合机械化一次采全高后退式采煤法，开采高度5.1 m。

工作面采用U 型通风方式，布置2 条顺槽，97141 巷为进风巷，97142 巷为回风巷，如图1。顺槽设计宽度均为5 m，高度均为3.7 m，沿煤层顶板掘进。

图1 9714 工作面巷道布置示意图（m）

煤层顶板为8.4 m 厚的细粒砂岩，灰白色，中厚层状，致密完整，平均抗压强度为52.5 MPa，属于较坚硬岩石，稳定顶板。细粒砂岩层往上为泥岩和砂质泥岩互层，平均抗压强度为18.2 MPa，属于软弱岩石，厚度27.6 m。

工作面回采后，后方中部区域顶板可以顺利垮落，但97141 和97142 顺槽上方顶板处于三角支撑区，无法顺利垮落，形成悬顶区，悬顶面积达到20～25 m2，如图2。开元矿业为突出矿井，9#煤为高瓦斯煤层，根据集团公司规定，悬顶面积不得超过10 m2，目前存在严重的安全隐患。计划采取顶板超前爆破预裂方式解决悬顶问题。

图2 两端头悬顶区域示意图

2 顶板定向爆破预裂关键参数确定

顶板爆破预裂是通过合理的爆破工艺，沿顺槽走向方向，在顶板上形成一条连续裂缝，切断顺槽上方和煤柱上方顶板联系，使顺槽上方顶板能够顺利垮落，避免悬顶形成。原理如图3。

图3 顶板爆破预裂切缝示意图

2.1 切顶高度

顶板结构分析表明，顶板不易垮落的主要原因是上方8.4 m 厚的细粒砂岩层结构完整、强度大，而细粒砂岩层上方为软弱岩层，可以顺利垮落，且垮落后能够完全填满采空区。因此切顶高度须超过细粒砂岩层，初步设计为8.9 m。

为保障切顶效果，钻孔方向与巷道倾向垂直，同时为便于钻机施工，钻孔与水平方向呈80°夹角，向巷道走向方向背向切眼一侧倾斜。

则孔深h=8.9/（sin80°）=9 m。

李一峰、徐霁，两位今年高考中涌现出的“另类”考生，最近成了教育圈热议的话题人物。对于他们的“另类”选择，质疑、不解者居多，赞赏、支持者亦有之。“弃清华而选川大”的选择遭到多数人的不解乃至嘲讽，原因恐无须赘述。以26岁的“高龄”重新参加高考，恐怕也不是任谁都有这样的勇气。有趣的是，两位考生有着相同的人生志向：学医，即便为之反复折腾，“不为良相便为良医”的人生理想却始终不曾泯灭，并最终得偿夙愿。对于这样的人生选择，赞赏者主要是从坚守“初心”的角度为其揄扬，这当然没有错，但在笔者看来，两位考生做了一次“不流俗”的人生选择，对于这样的做法，批评大可不必，赞扬也应适度。

2.2 开孔位置

开孔位置应尽量靠近煤柱侧，减小侧向悬顶长度，同时考虑钻机方便施工，钻孔开孔位置距离煤柱侧s=300 mm。

2.3 钻孔间距

按应力波与爆生气体准静压共同作用确定炮孔间距。

（1）按应力波作用

式中：a1为钻孔间距，m；σt为岩石的抗拉强度，MPa；p2为钻孔壁初始压力峰值，MPa；ρ为炸药密度，1250 kg/m³；D为爆速，4000 m/s；n为压力增大倍数；b为侧应力系数；α为应力波峰值在岩体内的衰减指数。

代入参数计算，a1=1.6 m。

（2）按爆生气体准静压作用

封闭在钻孔内的爆生气体以准静压的形式作用于炮孔壁，其应力状态类似于均匀内压的厚壁筒。根据弹性力学的厚壁圆筒理论及岩石中的抗拉强度准则：

式中：p0为作用于炮孔壁的准静态压力。

带入数据得：a2=0.4 m。

因此，按照应力波与爆生气体准静压共同作用原理，钻孔间距应为a=a1+a2=1.6+0.4=2 m。

2.4 钻孔直径

不耦合系数K是指钻孔直径和炸药直径的比值，合理范围为1.30 ＜K＜1.80。

本次采用的煤矿需用三级乳化炸药直径为35 mm，孔径选择55 mm，不耦合系数1.57。

2.5 封孔长度

按照《煤矿安全规程》规定，爆破钻孔封孔长度不得小于孔深的1/3。因此，设计封孔长度为3 m，孔内6 m 为装药段。

2.6 装药量

线装药密度ρ是指每米钻孔装药质量，合理范围为0.8～1.5 kg/m。

本次采用的煤矿许用三级乳化炸药规格为300 g/卷，300 mm/根，采用连续装药方式，每个钻孔装5.4 kg 炸药，装药长度6 m，线装药密度0.9 kg/m。

3 装药结构及爆破工艺

3.1 装药封孔结构

为实现定向切缝，提高顶板爆破预裂效果，采用D 型聚能管装药，最大外径48 mm。

装药长度6 m，单节聚能管长度2 m，采用3节聚能管，将乳化炸药装入聚能管内，每节聚能管装6 卷炸药，炸药之间间隙用炮泥塞实。聚能管间采用专用连接件连接。单孔共18 卷炸药，5.4 kg。

导爆索长度6 m，与装药段重合，上端插入最上部一卷炸药内，下端捆绑两发雷管。雷管脚线较为脆弱，为避免填塞炮泥封孔时脚线破坏，采用1.5 mm2专用双股炮线连接雷管脚线，并将炮线引出孔口。两发雷管各采用一趟炮线。

孔口3 m 长度采用炮泥封孔。装药封孔结构如图4。

图4 孔内装药封孔结构图（m）

3.2 封孔要求

封孔可以避免冲孔，延长爆生气体在炮孔内的作用时间，提高爆炸能量的利用率，同时炮孔内的高温条件得以维持更长时间，提高炸药的化学反应完全程度，减少有害气体生成量。

本次封孔采用炮泥。炮泥采用黏土、沙和水混合而成，黏土、沙和水的配合比=75:9:16。制作好的炮泥应表面光滑、无断裂，放置时间不超过1h。采用木质炮棍缓缓将炮泥送入，防止捣坏炮线和雷管。封孔段必须填满塞实，防止冲孔。

3.3 爆破钻孔布置

钻孔间距2 m，每5 个钻孔设计为一组，每次起爆一组钻孔，爆破巷道长度10 m。如图5 所示。

图5 爆破钻孔布置示意图（m）

单个钻孔需要5.4 kg 炸药、6 m 导爆索、2 发电雷管，每组5 个钻孔共需要27 kg 炸药、30 m 导爆索、10 发雷管。

钻孔参数：间距2 m，孔深9 m，装药长度6 m，封孔长度3 m，孔径55 mm，开孔距煤柱帮300 mm，钻孔方向与巷道倾向垂直，与水平方向呈80°夹角，向巷道走向方向背向切眼一侧倾斜。

3.4 起爆工艺

导爆索采用电雷管正向起爆，每个炮孔安装2发同段位毫秒延期电雷管，电雷管的聚能穴应朝向导爆索的传爆方向。电雷管装入最下一根聚能管距离底部200 mm 位置，导爆索压入聚能管药包内后扣好聚能管盖板。所有钻孔聚能管聚能穴沿巷道走向方向布置。

起爆网络为：采用串并联接线方式，孔内并联，孔间串联。

3.5 两顺槽起爆顺序

每天97141 和97142 巷均需要起爆一组钻孔，在一个班内完成。每个班将火工品集中布置在97141 巷内，先在97141 巷进行装药起爆作业，人员撤离至97141 上风口150 m 以外。爆破结束后等97142 回风巷内CO 浓度降低至安全范围后，将剩余火工品运输至97142 巷进行装药起爆作业，人员仍撤离至97141 进风巷内。

4 实施过程及效果考察

4.1 实施过程

9714 工作面采用“三八制”作业，两班采煤，一班检修。

在97141 和97142 顺槽各布置1 台定向钻机，97141 巷为进风巷，除了爆破撤人阶段，三个班均可施工钻孔，平均每天施工40 个钻孔，97142 巷为回风巷，受瓦斯影响采煤班断电，只能在检修班施工钻孔，平均每天施工15 个钻孔。钻孔施工速度较快，可以满足爆破需要。

利用检修班在97141 和97142 顺槽实施爆破切顶作业。按照“通孔→制作聚能药包→装药→封孔→撤人警戒→起爆→检查”作业流程，每班在两条顺槽各起爆一组钻孔，单组钻孔爆破用时约3 h，爆破长度10 m。工作面推进速度约6 m/d，爆破进度完全可以满足工作面推进需求。爆破作业超前工作面距离无要求，因此可以连续爆破。

4.2 切缝效果

爆破后对相邻钻孔进行钻孔窥视，考察裂缝形成效果，窥视结果如图6。窥视结果表明，钻孔爆破段形成了良好的切缝，切缝基本沿着一个方向，实现了定向预裂，同时说明钻孔间距设计较为合理。钻孔间距过密会导致裂缝过大或者孔内破碎，钻孔间距过大会导致难以形成有效裂缝。

图6 孔内定向切缝效果

为考察悬顶治理效果，每天对两顺槽后方最大悬顶面积进行统计。经过连续4 个月的统计分析，97141 巷后方悬顶面积1.2～3.2 m2，平均2.5 m2，97142 巷后方悬顶面积0.8～3.6 m2，平均2.8 m2，悬顶面积较爆破前减小了75%左右。集团公司要求悬顶面积不得超过10 m2，现场未出现悬顶面积超过4 m2的现象，满足了安全使用要求。

5 结论

（1）采取定向爆破预裂方式，解决9714 工作面回采后两顺槽上方悬顶问题，设计爆破钻孔孔深9 m，装药长度6 m，封孔长度3 m，采用连续不耦合装药方式，线装药密度0.9 kg/m，不耦合系数1.57。

（2）效果考察表明，每班爆破巷道长度10 m，可以满足工作面6 m/d 推进速度要求，爆破后顶板形成良好的定向裂缝，爆破钻孔间距设计合理，回采过后最大悬顶面积不超过4 m2，满足了悬顶面积不得超过10 m2的要求。