葫蘆素煤礦21406 回采工作面爆破切頂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

齊 佩

（中天合創(chuàng)煤炭分公司葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017212）

我國(guó)煤炭80%以上屬于井工開采，煤炭現(xiàn)開采難度增加，面臨著各種安全問題和技術(shù)難題，其中沖擊地壓是最主要的災(zāi)害之一[1-5]。為了解決深部開采沖擊地壓?jiǎn)栴}，眾多學(xué)者通過改善頂板條件來解決沖擊地壓，治理的核心理念是減少?zèng)_擊的頻數(shù)或者減弱沖擊的強(qiáng)度。切頂爆破是現(xiàn)場(chǎng)采用的主要方法，但需要根據(jù)具體條件優(yōu)化切頂爆破參數(shù)，保證回采面安全高效施工。

1 工程概況

1.1 工作面布置

21406工作面位于葫蘆素煤礦工業(yè)廣場(chǎng)西南側(cè)，運(yùn)輸巷對(duì)應(yīng)地面位置有2 處房屋、3 處魚塘。井下位置：21406 工作面的東側(cè)是四盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷，西側(cè)為井田邊界線，南側(cè)為21407 工作面，北側(cè)為240 m 保護(hù)煤柱。如圖1。

圖1 21406 工作面概況

21406 工作面為四盤區(qū)第二個(gè)回采工作面，位于四盤區(qū)中部，工作面長(zhǎng)300 m，有效推進(jìn)長(zhǎng)度3085 m，工作面單巷布置。21406 工作面地面標(biāo)高+1302～+1311 m，井下標(biāo)高+624～+658 m，平均埋深約650 m。21406 工作面所采煤層為2-1 煤層，厚度2.95～5.27 m，平均厚度約為4.0 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般含1 層0.2～0.4 m 厚的夾矸，煤層傾角1°～3°，采用綜合機(jī)械化一次采全高，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。截至2021 年10 月18 日，已回采1690 m。

1.2 頂?shù)装鍡l件

根據(jù)地層的巖性巖相特征判斷，安定組地層巖性由細(xì)～粗砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖組成，埋藏較淺，裂隙發(fā)育。21406 工作面煤層及頂?shù)装鍡l件見表1。

表1 21406 工作面頂?shù)装鍡l件

2 切頂爆破分析

2.1 切頂爆破原因

呼吉爾特礦區(qū)僅有葫蘆素煤礦開采2-1 煤層。根據(jù)葫蘆素煤礦提供的礦壓顯現(xiàn)記錄，該煤層發(fā)生過1 次輕微沖擊地壓顯現(xiàn)事件。

21406 工作面均為全煤巷道掘進(jìn)，受開采深度、褶曲、斷層、沖刷帶等形成的高靜載應(yīng)力，采掘擾動(dòng)、相鄰采空區(qū)等形成的高動(dòng)載應(yīng)力，以及沖擊傾向性煤層、“兩硬一軟”煤巖條件等因素的影響，初步預(yù)測(cè)21406 工作面在回采期間具有發(fā)生沖擊地壓的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

21406 為實(shí)體煤回采工作面，且21406 工作面回風(fēng)巷與21405 采空區(qū)之間留設(shè)240 m 煤柱，所以回風(fēng)巷側(cè)暫不設(shè)計(jì)爆破孔。21406 工作面回采期間，超前工作面300 m 在運(yùn)輸巷內(nèi)對(duì)頂板實(shí)施縱向預(yù)裂卸壓，既能通過減小工作面來壓步距來緩解本工作面礦壓，又能營(yíng)造利于21407 沿空掘巷維護(hù)的頂板結(jié)構(gòu)。

2.2 頂板巖層結(jié)構(gòu)分析

選取21406 工作面運(yùn)輸巷附近的HK32、HB7、H15 鉆孔柱狀圖分析工作面頂板巖層結(jié)構(gòu)。HK32 頂板上方存在14.46 m 的中粒砂巖和13.37 m的細(xì)粒砂巖；HB7 頂板上方各巖層厚度均較薄，不存在厚度超過10 m 的厚硬巖層；而H15 頂板上方的中粒砂巖厚度達(dá)到了22.46 m。整體分析可知，21406 回采面運(yùn)輸巷頂板巖層結(jié)構(gòu)變化較大，建議在爆破參數(shù)設(shè)計(jì)前應(yīng)優(yōu)先間隔一定距離取芯，在探明巖性的基礎(chǔ)上再進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。

3 頂板爆破預(yù)裂卸壓參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 初始爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

截 至2021 年9 月，21406 運(yùn) 輸 巷 距 離 切 眼0～917 m 未施工爆破斷頂，距離切眼917～2567 m 已爆破斷頂。其中距離切眼917～1486 m 爆破參數(shù)見表2；距離切眼1486～2567 m 施工參數(shù)孔深減小為35 m，其余參數(shù)不變；距離切眼2080～2274 m 已經(jīng)打了鉆孔暫未進(jìn)行爆破。

每10 m 布置1 個(gè)縱向切頂鉆孔，鉆孔布置方式如圖2 和圖3，爆破參數(shù)見表2。實(shí)施切頂卸壓的21406 需要強(qiáng)化超前輔助支護(hù)。

圖2 初始爆破鉆孔平面圖（m）

圖3 初始爆破鉆孔剖面圖（m）

表2 初始切頂爆破參數(shù)表

3.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于在21406 運(yùn)輸巷距離切眼1486 m 附近施工的5 個(gè)爆破孔連續(xù)出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，故對(duì)附近的相鄰鉆孔進(jìn)行窺視，窺視孔施工深度50 m，傾角60°，孔徑75 mm。

根據(jù)之前施工人員現(xiàn)場(chǎng)探孔情況反饋，在37～38 m 左右有塌孔現(xiàn)象，存在推桿推不動(dòng)情況。現(xiàn)對(duì)窺視孔探孔情況進(jìn)行分析：

分析鉆孔整體巖層變化范圍，大致判斷出高位頂板塌孔處巖性變化范圍為40～50 m。如圖4。

圖4 巖層狀態(tài)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際窺視情況可以看出，10～20 m 處巖性有變化，30～40 m 處巖性發(fā)生變化。窺視情況顯示，頂板巖層到34 m 表面開始由細(xì)變粗直至47 m 處出現(xiàn)破碎，由此可以判定在34～50 m 之間頂板巖層過渡變化為泥巖，是造成塌孔的主要原因，具體情況如圖5。

圖5 高位巖層破壞狀態(tài)

通過窺視孔整體情況分析可知，34～50 m 頂板巖層過渡變化為泥巖，因此可將初始爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的孔深由50 m 變更設(shè)計(jì)為35 m，其他參數(shù)不變，詳見圖6、圖7、表3。

圖6 優(yōu)化后爆破鉆孔平面圖（m）

圖7 優(yōu)化后爆破鉆孔剖面圖（m）

表3 優(yōu)化后切頂爆破參數(shù)表

3.3 頂板爆破預(yù)裂鉆孔施工工藝

21406 回采期間，21406 運(yùn)輸巷里程2250 m 至回撤通道口處結(jié)束，主要工序包括：準(zhǔn)備鉆機(jī)→施工鉆孔→正向裝藥→爆破孔封孔→爆破。

（1）采用ZDY4200LPS 煤礦履帶式全液壓坑道鉆機(jī)配套Φ75 mm 的鉆頭及鉆桿，按照設(shè)計(jì)方案的技術(shù)參數(shù)要求，操作完成鉆孔施工。

（2）裝藥：現(xiàn)場(chǎng)制作被筒、制作炮頭，連接雷管腳線、驗(yàn)孔、正向裝藥。

（3）封孔：使用水泥封孔劑封孔（Φ63 mm×500 mm）。每推進(jìn)一袋后使用專用炮棍搗實(shí)，直至封孔到孔口位置。

（4）起爆：每次爆破作業(yè)前，爆破工必須做電爆網(wǎng)路全電阻檢測(cè)，嚴(yán)禁采用發(fā)爆器打火放電的方法檢測(cè)電爆網(wǎng)路。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用鉆孔窺視技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)比分析孔壁裂隙和頂板巖性的類別。由此次窺視可得，高位頂板上覆巖層到34 m 處表面開始由細(xì)變粗，直至47 m 處出現(xiàn)破碎，判定在34～50 m 之間頂板巖性發(fā)生過變化，34 m 處為巖層變化過渡帶，37 m 為砂質(zhì)泥巖，該處泥巖是造成鉆孔塌孔的主要原因。

（2）通過調(diào)整爆破參數(shù)，找到最優(yōu)爆破方案。爆破實(shí)現(xiàn)了定向預(yù)裂縫，切斷了頂板應(yīng)力傳遞路徑，使頂板按設(shè)定高度切落，實(shí)現(xiàn)了既主動(dòng)切頂又不破壞巷道頂板的目的，大大地減少了圍巖損傷，利于工程巖體的支護(hù)和穩(wěn)定，降低了綜合成本，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。