爆破切顶卸压技术在小煤柱护巷中的应用

李朝珑

（山西新村煤业有限公司，山西 长治 046000）

为最大限度地多采出煤炭资源，减少资源浪费，提高矿井回收率，矿井须结合自身实际开采条件，尽量减小两个工作面之间区段煤柱留设的尺寸。但对小煤柱护巷而言，留设煤柱受相邻回采工作面侧向支承压力及工作面本身回采超前采动应力的双重影响，容易出现失稳破坏，造成巷道变形量大，甚至需要对整条巷道进行扩修，导致护巷失败[1-2]，护巷难度加大，护巷成本增加。基于此，晋能控股口泉煤业在2104工作面开展小煤柱护巷爆破切顶卸压技术研究，通过对相邻21031巷采取爆破切顶措施，释放煤柱及护巷深部围岩应力，使应力重新分布，改善煤柱承载强度及巷道应力环境，确保小煤柱护巷的成功。

口泉煤业2104工作面开采2号煤层，煤层平均厚度4.6 m，局部有2～3层夹矸，赋存稳定。煤层倾角9°～12°，平均10°，煤层硬度系数3～3.4。煤层直接顶为粉砂岩，厚度分别为4 m；
老顶为泥岩，厚度为3.25 m；
直接底为泥岩，厚度为1.5 m；
老底为粉砂岩，厚度为7 m。2104综采工作面北部为2103工作面，两个工作面煤巷均已贯通，计划首先回采2103工作面。21041巷巷道设计断面规格：净宽×净高=4.7 m×2.7 m，间隔煤柱留设宽度为5 m。21041巷先后受2103、2104工作面回采影响，巷道围岩极易发生变形。工作面布置如图1所示。

图1 2103、2104工作面布置

结合2103工作面回采进度安排，为保证护巷效果，必须在2103工作面初采初放前，对21031巷实施切顶爆破卸压，在21031巷顶板形成预裂面，释放小煤柱及21041巷深部围岩应力，降低2103工作面侧向支承应力对小煤柱及21041巷的影响。

2.1 爆破参数设计

（1）炮眼角度

设定巷道断面内炮眼的竖向夹角为α，沿巷道走向剖面内炮眼的水平夹角为β，α及β角如图2所示。为减小煤柱及护巷上方顶板的破坏程度，增强煤柱的承载力，设计α角向2103工作面采空区倾斜，增加煤柱及护巷上方顶板悬臂梁的长度。β角如设计过小，需增加炮眼深度及装药量，以保证卸压效果；
β角如过大，则会造成装药困难。通过现场施工条件及经验，最终确定α=10°、β=75°。经理论分析计算，炮眼眼位距煤柱帮越近越好[3]，但需考虑钻机施工炮眼的空间且保证炮眼按设计进行施工。结合21031巷现场实际条件及钻机情况，确定炮眼距帮距离为0.8 m。

图2 切顶钻孔布置

（2）炮眼直径和间距

结合工作面顶板岩性、炮眼施工进度、回采工作面推进进度及深孔爆破经验等，确定炮眼直径为75 mm，选用直径75 mm钻头配合直径63 mm钻杆进行施工，炮眼间距2 m，相关参数可根据现场岩性变化、爆破效果等作适当调整。

（3）炮眼深度

根据关键层理论分析21031巷顶板岩层赋存情况，选出厚度相对厚、强度相对高的岩层为关键层，其上覆岩层随关键层协同变形[4]，切顶时高度必须超过关键层，上覆岩层随同一起垮落，使护巷深部围岩应力重新分布、释放，达到卸压的目的。21031巷顶板岩层赋存如表1所示。经分析，C5粉砂岩厚度4 m，强度相对较大，选定为关键层。另煤厚4.2 m，巷高2.7 m，巷道托顶煤1.5 m，则切顶高度h=1.5+4.0+3.25+2.5+4.0+0.13+2.7=18.08 m，炮眼倾角β为75°，则炮眼深度H=18.08/sin75°=18.72 m。炮眼布置如图2所示。

表1 2103工作面顶板上覆岩层分布

（4）装药量与装药结构

炸药选用矿用三级乳化炸药，直径φ为45 mm，长度500 mm，每节炸药重量0.8 kg。炮眼直径d为75 mm，则装药不耦合系数K=d/φ=75/45=1.67，满足要求。

根据《煤矿安全规程》规定，深孔爆破时，封泥长度不得低于孔深的1/3。因炮眼深度设计为18.72 m，设计装药长度为12 m，封泥长度为6.72 m。根据工程类比法，泥岩类装药系数为0.75 kg/m，砂岩类装药系数为1.3 kg/m。根据表2中各岩层厚度，计算得出炮眼装药量为2.8×0.75+9.2×1.3=14.06 kg，单节药为0.8 kg，则每孔共计装药18节。炮眼采用不耦合间隔装药方式，使用双导爆索配合双雷管进行引爆，电雷管采用瞬发电雷管，两个电雷管采用并联连线，且每个电雷管引爆一根导爆索。

2.2 快速装药技术

（1）装药前确认

因炮眼施工范围内软硬岩互层，软岩段、软硬岩交接处成孔质量无法得到保证，每次装药前必须对炮眼进行探孔来确认成孔质量。如探孔无法探至孔底，则严禁装药，必须使用钻机再次套孔，直至满足装药要求。

为便于操作，设计了探孔专用工具，由木制探头与探杆两部分组成，探头直径68 mm，杆体为陀螺状，探杆使用四分钢管加工而成，每节1 m，使用接箍进行连接，探杆如图3所示。

图3 探杆

（2）装药方式

常规的装药方式是将炸药包装袋剪开，将炸药装入注药枪注药筒中，之后使用注药枪将炸药注入爆破管中，但该操作程序繁琐且效率低。为解决此问题，此次装药采用PVC材质的聚能管，该管断面形状为椭圆形，由主体管及滑盖两部分组成，主体管中央有一个凹进去的槽，叫做聚能槽。装药前，首先将每节炸药两端剪开，之后直接装入主体管中，最后沿主体管滑槽将滑盖扣上即完成装药。

（2）安装方式

每根聚能管长度1.5 m，每孔需安装12根。聚能管通过快速接头进行连接，连接后具有一定的强度且可适当弯曲。另外，快速接头安装有倒刺，防止在安装过程中出现聚能管下滑的现象。结合21031巷现场条件，可在巷道内提前将聚能管连接完毕，之后整体送入炮眼，单孔预计装药时间约7 min，较常规炸药安装方式时间减少60%。

3.1 现场施工组织

采用“三·八”制作业方式，每班安排3人进行作业。现场采用快速装药及整体安装方式，经现场试验，单孔装药时间为7 min左右，较常规炸药安装方式时间节省60%，与预计安装时间基本一致。

3.2 煤柱应力监测

对煤柱布置测点进行相对垂直应力监测，用于确认采取爆破切顶卸压措施后，煤柱内部是否受力均匀，是否具备一定的承载力。设定距煤柱帮1 m处为第一个测点，之后按0.5 m间距向里依次布置6个测点，形成一排，共计7排。

（1）应力分析

采取爆破切顶措施后，煤柱内部应力变化如图4所示。由应力变化曲线可知，每排应力值随测点距煤柱帮距离不同而不同，距帮2.5 m处出现峰值，煤柱范围内应力0.8～6.6 MPa，应力分布相对均匀，证明煤柱形成了一定的承载力[5]。

图4 爆破切顶后煤柱应力变化曲线

（2）巷道表面位移观测

在21041巷建立巷道表面位移观测站，分别观测顶板位移、底板位移及两帮位移，位移变化如图5所示。由图5位移变化曲线可知，随2103工作面推进，21041巷表面位移逐渐增大，当推过距测站70 m位置后，巷道表面位移趋于稳定，即顶板下沉值不大于50 mm，底鼓量不大于140 mm，两帮相对移近量不大于190 mm，满足巷道安全生产需要。

图5 21041巷位移变化曲线

根据21041巷实际开采条件，口泉煤业开展小煤柱护巷爆破切顶卸压技术研究，确定切顶高度、炮眼深度、装药结构及起爆方式等关键爆破参数。随2103工作面回采，通过现场煤柱支承应力和21041巷表面位移监测得出：爆破切顶卸压技术释放小煤柱及护巷深部围岩应力，使应力重新进行分布，增强煤柱承载强度及改善了巷道应力环境，且护巷巷道变形量小，满足安全生产的需要。