薄煤层工作面切顶爆破钻孔参数的研究

王耀东

（山西晋煤集团沁秀公司岳城煤矿， 山西 晋城 048006）

引言

预裂爆破是无煤柱开采技术中关键环节之一。目前井下常用爆破技术为光面爆破。由于薄煤层工作面厚度较小不均，节理构造较多，使用光面爆破时影响范围大，药量不易控制，爆破面成型差，不能有效达到切顶效果。本文以天安公司朝阳煤业91310工作面为工程背景，采用了聚能管装药预裂爆破，并对相关参数进行了深入研究，具有一定的借鉴意义。

1 现场概况

91310 工作面西面为天安公司朝阳煤业九一盘区大巷，北面为91308 工作面，尚未开采；东面为矿界；南面为村庄。工作面煤层稳定，总体呈一单斜构造，煤层倾角3°～5°；工作面内无陷落柱。91310工作面采用长壁、后退式一次采全高综合机械化采煤方法，全部跨落法管理顶板；由东向西方向回采。采用“两进一回、Y 型”布置方式，工作面走向长度为371.2 m，推进长度为170 m；煤层厚度平均1.64 m。巷道设计断面为矩形，长度374.6 m，沿9 号煤层底板布置，净宽4 m，净高2.2 m，净断面8.8 m2；掘进宽度4.2 m，高2.3 m，掘进断面积为9.66 m2。工作面位置如图1。

切顶卸压巷道位于91220 巷，巷道煤层直接顶为3.08 m 厚的泥岩，老顶为2.76 m 厚粗粒砂岩；直接底板为0.97 m 厚K4 石灰岩，老底为3.92 m 厚泥岩。91310 工作面顶底板岩性及特征如表1 所示。

2 参数设计

2.1 钻孔位置

根据切顶卸压留巷技术原理，钻孔位置（爆破钻孔与回采帮距离）S越小越好，但由于顶板钻机需要作业空间和方便顶板钻机施工等客观因素，钻孔位置S通常需要取一定数值[1]。结合91220 巷设备布置及钻机施工以及后期棚腿安装等情况，确定S=200 mm。如下页图2 所示。

图1 91310 工作面巷道布置及留巷位置图（单位：m）

表1 91310 工作面顶底板岩性及特征表

2.2 切顶高度

91220 巷预裂切顶高度分别通过理论计算和数值模拟计算确定。在不考虑底臌及顶板下沉的情况下，按煤层最大厚度1.91 m，由于直接顶板为3.08 m厚层状泥岩，碎涨系数小，计算得理论切缝高度6.4 m。

利用FLAC3D 建立三维实体模型，模拟所采用的预裂切顶高度分别为5 m、7 m 和10 m，结果如图3。

图2 91220 回风巷钻孔位置示意图

图3 不同预裂切顶高度下的位移场和应力场

从不同预裂切顶高度竖向位移场可以看出：

1）顶板预裂切顶高度5 m 切缝时，切顶面两侧位移区别不大，留巷顶板、两帮围岩均存在较大变形；

2）7 m 和10 m 切缝时，切顶面两侧位移明显变化，但10 m 切缝时，留巷顶板及两帮位移较7 m 切缝时大。

从不同预裂切顶高度竖向应力场可以看出：

1）顶板预裂切顶高度5 m 切缝时，回采后留巷顺槽左侧存在明显应力集中区，应力集中区范围较大，应力峰值较大，且集中区比较靠近顺槽左帮；

2）7 m 和10 m 切缝时，回采后留巷顺槽左侧应力集中区远离巷道，其中，10 m 切缝应力集中距离及范围大于7 m 切缝，但2 种方式在留巷附近应力峰值都较小，为低应力区。

综上可知：当切顶高度为5 m 时，直接顶与采空区顶板存在较大应力传递，不易留巷；当切顶高度为7 m 左右时，切顶面还存在一定应力积聚，预裂时不易全部切断；当切顶高度大于10 m 时，切顶厚度过大会导致留巷顶底板围岩回转挤压，影响留巷效果。结合模型数据中91310 工作面开采条件可知，最佳顶板预裂切顶高度应为7 m。

结合理论计算和数值模拟计算，最终确定切顶高度为7 m。

2.3 钻孔倾角

根据以往经验和装药施工难易程度，采高M与预裂钻孔角度α（铅垂方向偏向采空区）存在如下关系[2]：

1）当开采高度M≤1 m 时，预裂钻孔角度α 取20°；

2）当1 m＜M≤3 m 时，α 取15°；

3）当3 m＜M≤5 m 时，α 取10°。

朝阳矿91310 工作面平均采高为1.64 m，根据经验预裂钻孔角度α 取15°。

钻孔倾角α 要考虑顶板是否有利于钻机施工、钻孔装药、切缝效果、装药量等因素。结合91220 回风巷顶板基本顶厚度及钻机的施工情况，确定钻孔倾角α=15°，切缝钻孔长度为7.3 m。

2.4 钻孔直径和间距

矿井工作面顶板爆破预裂切缝钻孔一般根据现场条件、钻孔设备等因素确定，一般情况下钻孔间距为10～15 倍的钻孔直径[3]。综合顶板岩性、顶板爆破预裂切缝效果、打眼速度等因素，拟采用组合迈步式架柱钻机，配套钻杆直径42 mm，钻头直径52 mm，确定钻孔直径d=52 mm，钻孔间距L采用500 mm、600 mm、700 mm 三种方案试验。最终通过现场钻孔预裂爆破的窥视效果，确定最佳的钻孔间距为500 mm。

3 现场效果及结论

在91220 巷道超前段进行了预裂爆破，伴随着工作面回采，直接顶围岩按设计要求基本垮落，爆破面围岩成型良好，无明显炸坑出现，对围岩损伤小。说明采用聚能管爆破，钻孔深度为7.3 m、开孔距巷帮200 mm，倾角15°、直径52 mm、间距500 mm 能够有效实现切顶预裂，保证工作面切顶效果。