煤矿井下顶板定向预裂深孔爆破技术的研究

吴宪宇，段晓武，李欣慰，李 涛，刘文魁

（山西焦煤化工有限责任公司，山西 孝义 032300）

0 引言

西铭矿井下11544 综采面位于北采区右侧，北部和井下老母断层靠近，平均距离为12.6 m。在综采面的上侧还有1 号和2 号采空区，井下的4 号煤层和2号煤层的采空区距离是88.9 m，和3 号采空区的距离是58.1 m。该综采面的平均埋深是441 m，倾斜面的长度是392 m，煤层的上部分布着平均厚度为2.2 m的夹矸层，综采面上的煤层的平均倾斜角为4.6°，煤层的邵氏硬度为2.2，井下巷道直接顶为3.3 m 厚的石灰岩，顶板的完整度极高而且岩石非常坚硬。

在综采作业时，由于顶板强度大，因此顶板不仅难以自行垮落，而且垮落的步距大（平均为24.6 m）、悬顶面积大。当大面积的悬顶出现垮塌时会给井下作业人员造成较大的危害，因此需要提前对顶板弱化，提高垮落时的安全性。

结合井下实际情况，提出了定向预裂深孔爆破技术工艺，结合井下的地质情况，对定向预裂深孔方案设计和应用情况进行了分析。通过在煤矿井下的实际应用表明，该技术能够显著降低巷道顶板的来压步距，确保井下巷道在使用过程中的稳定性。

1 巷道顶板炮眼布置方案

煤矿井下综采面采用了一进一回的巷道布置结构，其巷道截面尺寸为3 800 mm×4 800 mm，随着综采的进行，在井下回采巷道的超前液压支架外侧，需要对顶板布置炮眼。所有炮眼需要和巷道顶板呈75°的夹角，每个炮孔的深度约为15 000 mm，炮眼间的距离设置为600 mm，炮眼间的排距设置为2 400 mm。同时在顺巷切顶岩和煤柱距离约500 mm 的位置设置一个和巷道平行的炮眼，该处炮眼深度和间距情况和顶板处炮眼参数保持一致。井下炮眼布置结构如图1所示[1]。

图1 井下炮眼布置结构示意图（单位：mm）

由于井下地质结构比较复杂，因此在进行炮眼布置时需要考虑施工的便捷性，为了提高炮孔的打眼效率，在对气动打孔工具、自动打孔工具进行对比后，最终选择利用ZYWL-4500DS 煤矿用双履带式全液压定向钻机[2]进行钻进，所使用的钻头的直径为94 mm。井下综采面的可采走向约为900 m，考虑到在巷道构造前后约15 m 的范围内不能进行爆破施工，因此在井下输送机巷和单轨道巷的总计炮眼数量达到了26 个。

2 爆破方式研究

井下顶板爆破时的关键参数包括装药方式、爆破药连线方式、爆破方式、井下临时支护方式等[3]，各个关键爆破参数的设置如下：

1）装药方式。在巷道切眼进入到第3 组超前支护液压支架时，开始进行装药施工。首先从底部聚能管开始装药并进行爆破雷管和爆破引线的安装，在装药时候采用了正向装药方案，在每个爆破孔中设置5卷爆破药，爆破药采用串联布置结构，装完后先装100 mm 后的封土，然后利用聚能爆破定向杆来调整聚能管，使其切缝方位和巷道方位保持相同，当调整完成后在利用1 000 mm 长的泥土封口并用木棍夯实。

2）爆破药连线方式选择。爆破药全部采用串联方式连接，连接完成后需要对爆破母线进行检查，确认母线的完整性，确认完成后再进行放炮。

3）爆破方式选择。放炮时选择了串联起爆模式[4]，不得进行一次装药分组起爆，而需要采用一次装药，一次起爆的模式。

4）临时支护方案选择。在起爆以后，需要快速的把端头支架的护帮板伸出，此时要对巷道顶板处进行观测，如果出现有离层的现象，则需要增加单体挡护结构支护，单体支护结构的一侧利用DZ-4200 型液压支架支护，另一侧利用支架的顶梁和片帮进行支护，井下爆破临时支护结构如图2 所示。

图2 井下爆破临时支护结构示意图（单位：mm）

3 装药技术要求分析

炮孔装药直接关系到了爆破效果和安全性，因此针对井下炮孔布置及爆破参数设置，针对性的总结了炮孔装药时的关键技术要求。

炮眼设计共26 个，总深度390 m，共计使用炸药量858 kg，导爆索总长780 m，电雷管52 发，共计封孔总长度132.6 m，炮孔参数及装药量见表1。

表1 井下巷道来压步距监测结果汇总表

表1 炮孔参数及装药量汇总表

爆破时采用了安全性较高的乳化炸药，每一个药卷的直径是60 mm，长度是450 mm，质量约为1.5 kg。采用了延迟雷管和安全导爆索。导爆索的药芯为黑索金炸药，用棉线进行包裹并在外侧缠绕一圈塑料，作为防潮层，导爆索的直径为6.5 mm，燃烧时的速度要大于600 m/s。

爆破时候采用了不耦合的装药方式，每个导爆索都使用雷管起爆，雷管采用了孔内并联方式，其整体装药结构如图3。

图3 爆破孔装药结构

装配起爆药卷，取出一卷炸药，用木针在炸药顶端两侧扎2 个小孔，孔径略大于导爆索直径，将导爆索插入小孔内，插入深度不得少于炸药长度的1/3，然后将导爆索放置在起爆药卷两侧，用绝缘胶带将导爆索和炸药药卷固定在一起，制成起爆药卷。

4 井下预裂爆破安全措施研究

由于井下预裂爆破时的危险性高，因此为了提高在爆破施工时的安全性，针对井预裂爆破需求，制定了专门的安全规定[5]。

1）在进行爆破孔设置前进行“敲帮问顶”，而且在进行打眼的时候作业人员需要站在顶板的安全位置。在进行打眼时，需要在打眼位置设置校准线，保证所有的眼孔都在一条线上。

2）在钻孔的下风口位置要设置一个瓦斯传感器，瓦斯传感器可以采用吊挂的方式进行布设，其吊挂的位置距离顶板要小于200 mm，距离侧壁在300～400 mm 之间，保证在施工过程中的瓦斯电闭锁。

3）在作业过程中禁止在切顶线5 000 mm 的范围内设置炮眼，在爆破前后需要对瓦斯浓度变化量进行准确监测，当瓦斯的含量超过0.6%时不得进行爆破作业。

4）在爆破前需要对端头柱和切顶主进行监测，保证其支护牢固不松动。在进行爆破前需要暂停液泵的工作[6]，在作业面上不得送电，而且定向预裂爆破必须在超前支护内完成，不得在切顶线附近进行爆破。

5 井下工程应用分析

在井下采用定向预裂深孔爆破技术后，对其实际应用效果进行分析。把巷道监测区域分为上段、下段和中段[7]。不同区域的来压步距监测结果如表1 所示。

由实际监测结果可知，优化后巷道内的平均来压步距为（18.6 m+19.2 m+18.9 m）/3=18.9 m，比优化前的24.6 m 降低了23.17%，井下的平均动载系数为1.35，有效地提升了井下巷道在综采作业过程中的安全性。

优化后井下巷道顶、底板移近量及移近速率变化情况如图4 所示。

图4 井下巷道顶底板移近量及移近速率变化情况

由图4 可知，在优化后，巷道顶、底板的最大移近量为574 mm，比优化前的774.6 mm 降低了25.9%。其移近速率为20 mm/d，比优化前降低了66.2%，极大地提升了井下巷道在作业过程中的稳定性。

6 结论

西铭矿井下顶板为坚硬的石灰岩，质地也坚硬，导致巷道顶板难以自行垮落，不仅来压步距大而且垮落时候的危险性高。结合井下实际情况，提出了一种定向预裂深孔爆破工艺，对该工艺情况下的炮孔布置方案、爆破方案、爆破管理等进行了分析。通过在煤矿井下的实际应用表明，新工艺能够将井下来压步距降低23.17%，将巷道顶、底板移近量降低25.9%，将井下巷道顶底板的移近速率降低66.2%，极大地提升了井下巷道在作业过程中的稳定性和可靠性。