坚硬顶板深孔爆破切顶卸压技术的研究与应用

杨东方

（平顶山天安煤业股份有限公司二矿，河南 平顶山 467000）

平煤股份二矿开采的庚20 煤层直接顶板为石灰岩，岩石厚度4.2～6.6 m，较为坚硬。在回采期间上隅角顶板不易垮落，容易形成大面积悬顶区域，一旦大面积悬顶突然垮落，顶板折断产生的强烈动荷载作用会在采空区瓦斯溢出、顶板管理方面造成极大威胁。因此，迫切需要对坚硬顶板切顶卸压进行深入系统的研究。

目前国内外煤矿主要采用顶板注水及爆破等方法弱化坚硬顶板[1-3]。爆破弱化坚硬顶板是以人为爆破的方法破坏煤层顶板的完整性，使坚硬难冒落的顶板变为可自行冒落顶板，同时控制冒落的岩石碎块基本充满采空区，形成矸石垫层，从而减弱顶板垮落时的冲击强度，降低因顶板大面积垮落时形成的冲击，达到随采随落的目的。

1 深孔爆破切顶卸压机理

岩体的爆破预裂过程是涉及多学科的动力损伤演化过程。当炸药的最小抵抗线超过其临界抵抗线时，可近似认为爆破过程是在无限分布的煤岩体中进行的，因此难以观察到煤岩体自由面上有爆破预裂的痕迹。爆破孔周围会形成原爆破孔区、爆破孔扩大空腔、爆破粉碎区、爆破裂隙区及远场震动区，如图1。

炸药在煤岩体中爆破后，在爆破作用下爆破孔周围岩体会产生扩孔现象，爆破孔体积增大形成扩大空腔，如图1 中的区域2。爆破产生的动载作用在传递过程中逐渐减弱，扩大空腔附近的岩体出现粉碎现象，形成爆破粉碎区，如图1 中的区域3。爆破作用再向外扩展时，所产生的冲击波不足以粉碎岩体，在粉碎区域外某范围的岩体内产生一定量的径向裂隙及环向裂隙，如图1 中的区域4。同时，爆生气体在此范围内大量产生，并楔入煤岩体内的原生裂隙或由冲击波产生的裂隙中，进一步扩展裂隙。此裂隙以径向裂隙为主，这也是图1 中区域4径向裂隙明显多于环向裂隙的原因。爆破作用继续向外扩展，所产生的动载作用不足以在煤岩体中产生裂隙，只以震动的形式向外继续传播[4-5]，即图1中的区域5。

图1 爆破作用示意

煤岩体介质内爆生裂隙发育力学模型如图2。

图2 裂隙区裂隙发育模型

如图2 可知，爆破时主要产生两种应力，σθ为径向应力，σr为环向应力，其大小为：

式中：pm为爆破孔壁上的最大动载压强；rb为爆破孔半径；r为质点距爆破孔中心的距离。

从宏观上来说，当爆破作用产生的径向拉应力大于煤岩体的动态抗拉强度时，煤岩体会产生径向裂隙。同理，当爆破作用产生的环向拉应力大于煤岩体的动态抗拉强度时，煤岩体会产生环向裂隙。基于此原理，可利用定向爆破切顶使坚硬顶板垮落，减少工作面来压的隐患。

2 工作面概况

2.1 工作面及巷道布置

平煤股份二矿主采煤层为己15、己16、己17 和庚20 煤层。二矿为煤与瓦斯突出矿井，矿井最大瓦斯压力0.49 MPa，最大瓦斯含量5.48 m3/t。主采的庚20煤层厚度为1.8～2.4 m，平均2.1 m，中间有1～2 层夹矸。庚20 煤层伪顶不发育；煤层顶板为L6石灰岩，坚固性系数f 为6～8，厚度为4.2～6.6 m，平均为5.4 m；底板为泥岩和砂质泥岩。庚20煤层采煤工作面回采后上隅角难以自然垮落，易造成悬顶面积大，瓦斯集聚，形成安全隐患，严重影响矿井安全生产。

庚20 煤层工作面单翼布置，走向长度1900 m，工作面长度185 m，平均煤厚2.1 m，选用ZY6800-12/25D 型支架进行回采。庚20煤层工作面南部工作面已回采，北部工作面未开采，目前主采21120 工作面。工作面布置如图3，地质综合柱状图如图4。

图3 工作面布置

图4 地质综合柱状图

2.2 工作面巷道支护方式

庚20 煤层工作面风巷宽×高为5 m×2.8 m，巷道沿煤层顶板掘进，采用“锚（网）梁+锚索”支护，锚索直径21.6 mm，长度为4500 mm，间排距1100 mm×2000 mm，锚索间采用锚网梁连接，增强了锚索支护的稳定性。工作面支护断面图如图5。

图5 工作面支护断面图

3 工作面切顶卸压方案

3.1 卸压钻孔方案

使用型号CMM2-8 型切顶钻机，距风巷上帮1000 mm 处施工切顶钻孔，孔深7000 mm（L6 灰岩厚度小于6 m 的钻孔深度施工为6 m，灰岩厚度大于6 m 的按7 m 施工），垂直巷道顶板施工，钻孔间距500 mm，要求施工成线。爆破前使用单体柱进行支护，距钻孔水平距离200 mm，单体柱穿鞋带帽，间距600 mm。切顶钻孔布置如图6。

图6 切顶钻孔布置示意图

3.2 爆破装药方案

为便于装药的同时保证爆破效果，将4.5 m 长的PE 管分成两个半管作为炸药的载体。装药时将雷管插入炸药中，使用胶带或扎丝将炸药绑在PE管上，然后送入钻孔中（要求PE 管装药半管侧朝向西侧即巷道外段；敞开侧朝向东侧即采空区），PE 管末端50 mm 全管切割出倒刺并插入铁丝捏钩防止滑落。PE 管外径为40 mm，内径为36 mm，管长4 m。

爆破装药采用2+2 模式，顶部2 卷下部2 卷（选用煤矿许用三级乳化炸药，孔内装药量1.4 kg），封孔长度不低于2 m（不低于孔深的1/3），每次爆破孔数量不超过10 个。

3.3 切顶卸压结果

为了验证爆破后炮孔附近岩体中裂隙发育程度及切顶效果，采用钻孔窥视仪对爆破后的炮孔进行探测。爆破结果如图7。

图7 爆破切顶效果

由图7（a）可知，爆破后炮孔周围裂隙较为发育，炮孔浅处围岩出现明显纵向裂缝，浅部围岩切顶卸压效果显著；装药处附近的围岩纵向裂隙与环向裂隙交织，部分位置出现塌孔现象，围岩呈破碎状，整体性下降极大。从现场效果来看，顶板出现明显裂隙，整体较为破碎。说明完善后的深孔爆破切顶卸压技术在坚硬顶板中的应用效果较好，起到了弱化坚硬顶板的作用[6-7]。

4 结论

（1）将爆破作用下岩体分为原爆破孔区、爆破孔扩大空腔、爆破粉碎区、爆破裂隙区及远场震动区，建立裂隙发育力学模型，阐明了爆破产生的拉应力大于煤岩体动态抗拉强度时煤岩体产生裂隙的原理。

（2）结合平煤股份二矿庚20 煤层工作面的生产地质条件，从打孔效率及爆破参数两方面分析总结了原切顶卸压方案效果较差的原因。

（3）提出了炮孔深7 m 的深孔爆破切顶卸压方案，只采用了一排炮孔同时增大了炮孔间距，减小了工人劳动时间，提高了钻孔效率；采用PE 管分段装药，改善装药结构的同时提高了装药的便利性。

（4）在庚20 煤层21120 工作面进行了现场实践，钻孔窥视可看出炮孔浅部及深部围岩均产生了明显裂隙，工作面回采期间上隅角悬顶面积由5～6 m2减少至1～2 m2，顶板切顶后压力有效释放，巷道较为稳定，风巷超前支护段巷道位移量明显减少，表明深孔爆破切顶卸压技术应用效果较好，极大保障了工作面的安全生产。