工程爆破

学院：矿业与安全工程学院 专业班级：采矿工程硕研16-1 姓名：王文苗 学号：160120043 摘要:为了研究采空区上方突发大面积的顶板垮落现象，结合昊达煤矿采空区顶板不能自然垮落且不具备良好作业条件的情况，提出了一种新的采空区顶板强制放顶方法—地表钻孔预留采空区顶板强制放顶爆破方法，包括采用3项关键技术:从地表向下垂直钻孔，不扩孔进行强制放顶爆破；采空区顶板预留的安全厚度由集中药包爆炸后内部作用裂隙区半径的计算公式算出；炮孔底部装填燃烧过的蜂窝煤碎渣且孔内分3段起爆，减少对炮孔底部岩石的破坏。工程实践证明，地表钻孔预留采空区顶板强制放顶爆破方法可有效预防采空区顶板大面积垮落，降低了人员作业风险，实现了煤矿安全生产。

关键词:煤矿采空区；地表钻孔；强制放顶爆破；煤矿卸压；爆破技术 伊金霍洛旗昊达煤矿为了避免4206综

随着地矿行业多年的发展，诸多煤矿的采工作面出现设备损坏及人员伤亡事故，决采空区面积越来越大，用于支撑顶板的矿柱定用爆破法预先把采空区的东半部顶板松岩石在应力作用下其强度不断减弱[1]。近些动预裂，使4206综采面东半部上方采空区年发生在各地煤矿的采空区顶板垮落事故的岩石顶板带状破裂，随着生产的推进逐步屡见不鲜，破坏巷道，造成设备及人员损伤产生垮落。但该煤矿井下采空区不具备安全[2]

。为了减少顶板垮落带来的安全隐患，采作业条件，无法进入井下进行作业且顶板不用强制放顶使采空区上方顶板垮落。高冬等能直接垮落，否则将无法安全生产。第一种、[3]

通过深孔卸压爆破实验表明爆破孔附近第二种强制放顶方式都是在井下进行的，因应力明显降低。黄浩等[4]以钻屑法预测冲击此不能采纳。采空区顶板不能直接垮落且不危险程度为基础，对煤体进行卸压爆破达到具备从下到上逐段实施爆破的条件，第三种防治冲击地压目的而进行研究和应用。高魁方式也不能采纳。因此采取了一种新的强制等黄浩等[5]采取深孔爆破强制放顶来释放放顶方法—地表钻孔预留采空区顶板强制顶板压力以提高沿空留巷的护巷效果。 放顶爆破方法。 在前人的研究基础上，作者根据钻孔的1 强制放顶爆破机理 位置和方式采空区强制放顶的方法分为三1.1 顶板岩层中爆破卸压机理 种:一是沿切顶线边缘向顶板钻孔，适用于 炮孔中的炸药在起爆后，炮孔围岩受其坚硬、顶板悬顶较大的采空区。王应启黄浩冲击波作用产生破碎损伤、初始裂隙和拉应等[6]针对济三煤矿6303工作面冲击地压发力[8]。初始裂隙在拉应力波的作用下继续扩生明显的地方，采用了沿切顶线边缘向顶板展，产生二次裂隙，使岩石的破碎程度加剧。钻孔的方式强制放顶。吴兆华等[7]针对官地在保证围岩基本稳定的情况下，当破碎程度煤矿顶板的坚硬情况造成的安全隐患，在增加时，岩体中存储的弹性应变能量会相应28412工作面初采期间采用深孔爆破技术进减少，其释放弹性能量的过程也就是围岩破行强制放顶。二是在平巷内平行于工作面处坏的表现。冲击地压发生的主要诱导因素之钻深孔，此种方法能够减少与生产作业的相一就是坚硬、厚层砂岩顶板的存在，因为顶互干扰。也可以利用注水孔爆破，将采空区板越是在坚硬并且厚度大的情况下，越可能

[9]

的顶板表面作为自由面，以提高爆破效果，聚集弹性能量。如果上述的坚硬厚层顶板针对比较深的孔，应该有相应的钻孔设备。突然垮落，则其中积聚的能量会在瞬间释放三是采用地面钻孔扩孔爆破放顶。当在井下出来，就会造成咫风、瓦斯突涌等灾难性的有大量坚硬岩层悬顶或遗留煤柱区无法进后果。因此利用深孔爆破，使其坚硬厚层顶入时，距地表很浅，在地面又有钻孔施工条板在爆破的作用下完整性得到改变，降低强件的时候，可以采用由地面钻孔扩孔爆破放度。 顶。 1.2 顶板预留安全厚度的确定

计算采空区顶板的安全厚度主要有4种方法:

1)厚跨比法。采空区顶板完好时，利用顶板厚度与采空区跨度的关系来确定，其关系[10]

H/KW （1） 式中:H为顶板厚度；W为采空区跨度；K为安全系数。

当其比值≥05时，顶板安全。

2)空场长宽比法。顶板受均布连续载荷时，利用岩石的抗拉强度最低来确定[10]

MmaxW （2）

式中:σ为岩石的抗拉强度，Pa； Mmax为顶板内最大弯矩，kN。m；W为抗弯截面系数，m3。

3)结构力学梁理论计算法。基于理论假设方法，根据梁板受弯情况考虑，来确定采空区顶板的安全厚度[10] 2lnh0.25lnln8b1 （3）

b1式中:h为采空区顶板的安全厚度，m‘’ y为顶板岩体质量，kN 。 m-3；为顶板跨度，m；σ1为允许拉应力，kPa； h为顶板单位计算宽度，m，取h=1。

4)普氏拱理论估算法。采空区还处于未塌落状态时，当采空区岩体产生位移变形形成压力拱时，其拱高为[10]

bhtan(H42) （4）

f式中:H为压力拱拱高，m；φ为岩石内摩擦角，(。)；h为空场宽度之半，m； h为空场最大高度，m； f为岩石强度系数。 利用普氏拱理论估算法时顶板安全厚度取2H。

而本研究是采空区顶板在炸药爆炸能量冲击下顶板不完整、受载荷不均匀、不平衡的状态，顶板裂而不垮塌，形成预裂缝隙山[11]。因此，以上4种计算方法均不能采用。 本工程选用集中药包爆炸后内部作用裂隙区半径公式等其他公式，来计算采空区预留安全厚度。根据岩石爆破内部作用的研

究和大量工程实践经验，得出影响采空区顶板预留的安全厚度值计算的因素主要有:炸药的性质、岩体物理力学性质、地质条件、孔径、孔深。为了减少井工煤矿强制放顶深孔爆破对炮孔底部岩石破坏，通常采用的方法是:①柱状耦合装药；②采用柔性垫层方法爆破时，用蜂窝煤烧过后残留的碎末作为孔底填塞，填充的高度为

1.5 m。采空区的顶部预留的安全厚度值可以依照下式来计算[12]

r1.65Kp3C （5）

式中:r为裂隙区半径，m； Kp为介质材料的破坏系数（岩石材料的破坏系数按表1选取）；C为等效TNT装药量，kg。

通过计算，得出裂隙半径r=8。 12 m。为防止把预留顶板炸穿，实际预留顶板厚度增加至10 m

表1岩石材料的破坏系数 岩石单轴抗压强度

Rr/MPa

破坏系数 100 0.51 80 0.53 40~60 0.56 30 0.57 20

0.58

2 工程实践

2.1 工程概况

昊达煤矿需处理的4206工作面上方采空区范围是从4206切眼至灭火工程剥离界限，剥离边界地面海拔标高1 294 m，面积约1。 08 X 105 m2，采空区位于上方覆盖53~75 m，平均厚度为 m；松散砂土层厚度约为10~20 m。工作面沿着顺槽方向己开挖约90 m，随着工作面的开挖，在采空区的上方己经出现了部分垮落现象。

3-2煤层平均厚度4.5m。顶板岩性为泥质粉砂岩及细粒砂岩，底板为粉砂质泥岩。详查阶段对该煤层的顶底板均采取岩石物理力学实验进行了测试。发现泥岩单向抗压强度均小于300 kg/cm2，属软弱岩石；粉砂岩单向抗压强度400 ~600 kg/cm2，多为500 kg/cm2左右，属于半坚硬岩石。煤层顶底板

均为软弱一半坚硬岩石，岩石的抗压强度低，稳固性较差。3-2煤层与下部4-2煤层间距约为37. 53~40. 74 m，平均间距为38. 74 m(见图1)。

度毫秒雷管起爆。

表2爆破技术参数

参数名称 钻孔直径/mm 孔距/m 装药高度/m 单孔装药量/kg 填塞长度/m 缓冲垫层/m 钻孔个数/个 总装药量/t

装药结构[14]如图3所示。 2.4 爆破作业流程

1)穿孔作业方法。严格按照爆破设计要求钻孔施工，用编织袋对孔口进行填塞。 2)炮孔验收。检查炮孔深度和孔网参数；复核各炮孔的抵抗线；查看孔中含水情况；测量炮孔内温度。发现堵孔、孔深不够时及时补钻或透孔。

参数设计 150 8 31.5 630 8.5 1.5 10 6

图1采空区断面结构示意图

2.2 爆破施工方案

采取与切眼平行布孔，距切眼60 m、顺槽20 m布一排孔(见图2)。采用势150 mm炮孔，孔距8 m布置一排炮孔，孔内分3段起爆。钻孔平均深度 m，3-2采空区顶板岩石厚10 m，爆破后能够使3-2煤层上覆盖的全厚岩石碎裂，使其伴随着4206工作面推进垮落。

图3装药结构

3)装药作业方法[15]。完成装药前准备工

作后装药，达到设计要求的位置停止装药。

图2 4206工作面上方采空区范围及炮孔布放入起爆药包，再开始装药直至装药量符合

置 设计参数。

2.3 爆破参数的确定 4)填塞前准备工作。填塞材料采用粗

[13]

爆破技术参数如表2所示。由于此工沙，并将其堆放在炮孔周围，可以防止导爆程土岩覆盖厚度大，最厚75 m，平均覆盖索、导爆管被爆破飞石砸断、砸破。 m左右，所以选用BZC400ZYII车载式水 5)导爆管起爆网路连接畅通，不能出现井钻机。雷管选用奥瑞凯高精度毫秒延时导死结等。 爆管雷管，分3段起爆:孔内上部选用MS12 6)起爆网路检查。顺次检查起爆网路，（ 300 ms）、中部MS14（350 ms）、底部查看线路连接。 MS16（400 ms）雷管起爆；孔外1枚高精 7)警戒与起爆。装药前确定警戒范围，

注意爆破警戒工作。

8)起爆信号。发出预警信号和起爆信号后，负责起爆人员开始起爆。

9)爆破起爆。检测符合安全起爆标准、检测爆破振动仪器安装到位后，方可起爆。 10)爆后检查。确认有无盲炮，若发现盲炮，按《爆破安全规程》（GB 6722一2014）[16]

规定，安全处理盲炮。 2.5 爆破效果

强制放顶爆破后，炮孔周围形成了几个纵向沟壑，炮孔周围平均下降了3 m左右

3-2采空区上覆盖的全厚岩石达到碎裂效果，伴随4206工作面推进垮落，采空区基本充填完整。没有发生咫风伤人事故，有效保障了生产作业安全。

3 结论

1）地表穿凿垂直孔强制放顶的关键技术有3个:从地表向下垂直钻孔不扩孔进行强制放顶爆破；采空区顶板预留的安全厚度，由引用集中药包爆炸后内部作用裂隙区半径的公式计算；炮孔底部装填燃烧过的蜂窝煤碎渣且孔内分3段起爆减少对炮孔底部岩石的破坏，降低了爆破对采空区顶板的破坏，既经济环保又为孔底减振提供了一种方法。

2)地表钻孔避免了施工人员在井下采空区强制放顶作业，降低了人员作业风险，提高了煤矿强制放顶的作业效率，节约了煤矿强制放顶施工成本。

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