余吾煤業(yè)N2106工作面初采前頂板預(yù)裂爆破鉆孔設(shè)計

趙健春

(晉能控股煤業(yè)集團 荊寶煤業(yè)有限公司，山西 襄垣 046200)

1 項目背景

余吾煤業(yè)N2106綜采工作面位于東翼采區(qū)，沿南北方向布置，其東為N2107工作面(在掘)，南為北風(fēng)井東翼采區(qū)五條大巷，西為N2105工作面采空區(qū)，北均為實體煤；工作面切眼平距300 m(斜距303.5 m)，膠帶巷長2 287 m，回風(fēng)巷長2 258 m，煤層底板標(biāo)高+460～+490 m，埋深504～575 m，煤層平均厚度6.2 m。工作面平面布置見圖1。

由于該工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度達(dá)10.1 m，老頂為中粒砂巖、粉砂巖及砂質(zhì)泥巖，厚度達(dá)7.94 m，致密堅硬，老頂初次垮落步距為48 m，回采過程中會造成頂板不易垮落，形成大面積懸頂。

工作面頂板采空區(qū)懸頂面積過大，會給安全生產(chǎn)帶來隱患。其危害主要如下：

1) 采空區(qū)懸頂面積大，工作面漏風(fēng)嚴(yán)重；

2) 由于采空區(qū)頂板懸空面積大，突然大面積垮落時易導(dǎo)致工作面瓦斯超限，且產(chǎn)生的沖擊氣流也對工作面的人員造成安全威脅[1]；

3) 采用放頂煤開采，采空區(qū)懸頂面積大時頂板初次垮落前頂煤破碎，支架不接頂，推溜、移架困難[2]；

4) 頂板突然大面積垮落對支架的沖擊破壞性大,支架立柱下縮量會在短時間內(nèi)急劇增大，甚至被壓死、壓壞[3]。

鑒于此，為從根本上消除安全隱患，杜絕安全事故，余吾煤業(yè)N2106綜采工作面初采前預(yù)采用頂板預(yù)裂工藝，以進(jìn)行強制放頂，而強制放頂?shù)年P(guān)鍵是做好頂板預(yù)裂孔的布置及爆破工作。

2 切眼和端頭頂板預(yù)裂的炮孔布置方案及爆破方式

2.1 切眼及巷道端頭炮孔布置

303.5 m長的切眼共在頂板上布置42個炮孔，編號分別用數(shù)字1、2、3、4、5……40、41、42表示，所有炮孔累計長度893.6 m，炮孔直徑為75 mm，長13.1～26.6 m，傾角32～69°。綜合考慮頂板預(yù)裂效果及頂錨桿、錨索打設(shè)位置，將炮孔開口位置控制在距開切眼外幫0.5～1.2 m范圍內(nèi)。

膠帶巷端頭處布置2個頂板預(yù)裂炮孔(用膠1、膠2表示)。膠1、膠2炮孔孔口距切眼炮孔法線距離分別為2.5 m、5 m；綜合考慮頂板預(yù)裂效果及頂錨桿、錨索打設(shè)位置，孔口距膠帶巷外幫1.5～2.0 m。炮孔軸線水平投影方向與開切眼方向平行，仰角45°(炮孔仰角指炮孔與頂板之間的夾角，指向切眼內(nèi))，長11.3 m。

回風(fēng)巷端頭處布置2個頂板預(yù)裂炮孔(用風(fēng)1、風(fēng)2表示)。風(fēng)1、風(fēng)2炮孔孔口距切眼炮孔法線距離分別為2.5 m、5 m，綜合考慮頂板預(yù)裂效果及頂錨桿、錨索打設(shè)位置，孔口距回風(fēng)巷外幫1.5～2.0 m。炮孔軸線投影方向與開切眼方向平行，仰角45°(炮孔仰角指炮孔與頂板之間的夾角，指向切眼內(nèi))，長11.3 m。

切眼及兩巷道端頭頂板預(yù)裂孔的布置見圖2。

圖2 N2106巷道超前支護起始端小孔徑炮孔布置圖(m)

2.2 頂板預(yù)裂爆破順序和方式

工作面安裝完畢后，收回支架尾梁，切眼內(nèi)有1.2～1.5 m空間，能夠滿足人員裝藥。

一茬炮聯(lián)線采用“局部并聯(lián)，總體串聯(lián)”的方式進(jìn)行，每次起爆最多不能超過4個炮孔。每班分二組到四組同時裝藥、分次爆破。

第一班：進(jìn)行1～13編號炮孔(計13個炮孔)同時裝藥，裝藥完成后起爆順序為(1、2、3、4)—(5、6、7)—(8、9、10)—(11、12、13)。

第二班：進(jìn)行14～28編號炮孔(計15個炮孔)同時裝藥，裝藥完成后起爆順序為(14、15、16)—(17、18、19)—(20、21、22)—(23、24、25)—(26、27、28)。

第三班：進(jìn)行29～42編號炮孔(計18個炮孔)同時裝藥，裝藥完成后起爆順序為(29、30、31)—(32、33、34)—(35、36、37、38)—(39、40、41、42)—(風(fēng)1、風(fēng)2)—(膠1、膠2)。

3 巷道超前支護起始端頂板炮孔布置方案

為進(jìn)一步確保工作面初采前頂板預(yù)裂效果，并同時解決工作面推進(jìn)初期，工作面后方巷道懸頂距過長的問題，在對切眼和端頭進(jìn)行頂板預(yù)裂的基礎(chǔ)上，也要對兩巷道超前支護起始端進(jìn)行頂板預(yù)裂。

3.1 炮孔參數(shù)

根據(jù)N2106工作面開采條件，結(jié)合頂板巖層斷裂后的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性理論分析，設(shè)計在兩巷道超前支護起始端進(jìn)行連續(xù)切頂，炮孔角度為90°(垂直于頂板)，深度8 m，孔間距600 mm，炮孔直徑42 mm。

3.2 炮孔布置方式

在膠帶巷和回風(fēng)巷超前支護起始端各布置5排炮孔(分別用A排、B排、C排、D排、E排表示)，其中A排布置15個炮孔，B排、C排、D排、E排各布置4個炮孔，兩巷道各布置31個炮孔。炮孔排距1.0 m，炮孔間距0.6 m。每排中第一個炮孔距風(fēng)2炮孔或膠2炮孔的法線距離為3.5～4.0 m，A排炮孔距外幫0.5 m，見圖2。

其中A排的5個炮孔(A6、A8、A10、A12、A14)，B、C、D排的8個炮孔(B3、B4、C3、C4、D3、D4、E3、E4)，共計13個炮孔為備用炮孔，根據(jù)現(xiàn)場情況，決定是否裝藥爆破。

切眼和端頭的預(yù)裂孔孔徑(75 mm)較大，巷道起始端預(yù)裂孔孔徑(42 mm)較小。為了防止大孔徑炮孔爆破時使小孔徑炮孔變形，設(shè)計小孔徑炮孔在大孔徑炮孔放炮完成后才進(jìn)行鉆孔。

3.3 起爆順序

第1步：回風(fēng)巷道序號為1、2炮孔(即A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2、E1、E2共10個炮孔)進(jìn)行裝藥爆破；

第2步：A3、A4、A5、A7、A9、A11、A13、A15共計8個炮孔進(jìn)行裝藥爆破；

第3步：如果頂板預(yù)裂效果沒有達(dá)到規(guī)定要求，則進(jìn)行第一批備用炮孔爆破，即B3、B4、C3、C4、D3、D4、E3、E4，共計8個備用炮孔；

第4步：如果第一批備用炮孔爆破后頂板預(yù)裂效果仍不達(dá)要求，則進(jìn)行第二批備用炮孔爆破，即A6、A8、A10、A12、A14，共計5個備用炮孔。

3.4 裝藥結(jié)構(gòu)及工藝

炸藥裝藥結(jié)構(gòu)為不耦合裝藥。雷管聯(lián)線方式為局部并聯(lián)總體串聯(lián)，每孔用4個雷管，起爆采用串聯(lián)方式聯(lián)線。

3.5 設(shè)計參數(shù)表

N2106工作面兩巷道超前支護起始端預(yù)裂鉆孔裝藥量按照所有鉆孔連續(xù)裝藥計算，見表1。

表1 N2106工作面兩巷道超前支護起始端預(yù)裂鉆孔說明書

3.6 爆破前巷道臨時加強支護

為保證頂板的穩(wěn)定性，在進(jìn)行爆破前，設(shè)計提前采用單體柱+π型梁或者鉸接頂梁進(jìn)行臨時加強支護，單體柱+頂梁采用“一梁一柱”平行炮孔方向支設(shè)，單體柱距離炮孔距離200 mm，柱距1 000 mm。

4 預(yù)裂爆破效果分析

為了驗證爆破后炮孔附近巖體中裂隙發(fā)育程度和爆破效果，爆破前在距爆破孔處施工一個平行鉆孔，利用YTJ20型巖層探測記錄儀對爆破前后鉆孔孔壁破壞情況進(jìn)行觀測對比。在切眼和工作面運輸巷分別布置測站，對切眼頂板和運輸巷頂板的預(yù)裂爆破效果進(jìn)行觀測。

通過觀察平行鉆孔發(fā)現(xiàn)，爆破前切眼和運輸巷頂板鉆孔孔壁均保持光滑完整，變形量小。這是由于基本頂砂巖為硅質(zhì)膠結(jié)、強度大，無強烈采動條件下基本頂變形不明顯造成的。預(yù)裂爆破后，切眼和運輸巷頂板鉆孔均出現(xiàn)較大變形，孔壁出現(xiàn)張開度較大的豎直裂隙，說明爆破作用下，基本頂中產(chǎn)生垂直破壞面，部分位置甚至出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。沿爆破鉆孔布置方向，各鉆孔爆破產(chǎn)生的垂直破壞面相互貫通，最終形成完整的爆破破壞面，觀測結(jié)果表明工作面爆破效果良好。

工作面由于未受較大斷層的影響，沒有采取預(yù)裂爆破措施，該工作面初次來壓步距和周期來壓步距分別為48 m和18～21 m，來壓期間支架工作阻力達(dá)到6 500 kN，部分支架出現(xiàn)液壓閥開啟現(xiàn)象。工作面采取預(yù)裂爆破的切頂措施后，工作面初次來壓步距為30 m，周期來壓步距10～15 m，來壓期間支架最大工作阻力為5 300 kN，來壓并不明顯。因此，可以斷定工作面采取的預(yù)裂爆破切頂有效減小了工作面來壓步距，降低了工作面來壓強度。

5 結(jié) 語

1) 在303.5 m長的切眼頂板上，從頭到尾布置1排(42個)爆破鉆孔，其距切眼外幫0.5～1.2 m，孔徑75 mm，長13.1～26.6 m，傾角32～69°，累計孔深893.6 m；

2) 在工作面兩端頭各布置2個爆破鉆孔，距切眼炮孔法線距離分別為2.5 m、5 m，距巷道外幫1.5～2.0 m，仰角45°，長11.3 m。

3) 在兩巷道超前支護起始端各布置31個爆破鉆孔，炮孔角度90°，深度8 m，炮孔直徑42 mm，排距1.0 m，間距0.6 m。