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摘 要：针对新疆焦煤集团2130煤矿25112综放工作面深孔超前预爆破对坚硬顶板的爆破效果的技术研究。大倾角综放工作面深孔超前预爆破工作旨在解决2130煤矿坚硬顶板的控制，防止坚硬顶板的大面积悬顶和悬顶后跨落产生的冲击波。同时，它也是在国内探索大倾角综放坚硬顶板控制的新途径。
关键词：大倾角；预爆破；综放；压力
Roof caving face large angle control technology research
Song Zhi-xin，LI Zeng-feng
（Xinjiang Coking Coal Group ewirgol Coal Company 2130 Coal Mine）
Abstract: 2130 for Xinjiang Coal Coking Coal Group 25112 caving face hole ahead of pre-blasting effects of the bursting of the hard roof of the technical research. Large angle hole caving ahead of the pre-face blasting hard to address the 2130 adit roof control, to prevent a large area of ??hard roof top and hanging hanging off the top after the shock wave generated across. At the same time, it is also a large dip in the country to explore the control of hard roof caving new ways.
Key words: large angle；pre-blasting；caving；pressure
1前言
随着生产实践、技术的发展、采煤方法的改变，特别是发展长壁综合机械化采煤后，坚硬顶板已被人们共认为一种灾害，造成大量人员伤亡和大量支架损坏。目前各国都在积极采取各种理论和技术措施来研究解决这一难题，比较有代表性的技术措施有：煤柱支撑、充填、步距爆破放顶、控制工作面推进速度、提高液压支架的支护强度、超前工作面高压注水和超前工作面预爆破等。
超前工作面深孔预爆破是在工作面超前一定距离预先打孔装药放炮，利用炸药在顶板岩体内部爆炸能量的作用，改变岩石的物理性质，使难冒顶顶板变为可冒顶板，从而达到控制坚硬顶板的目的，该顶板控制方法在国外已有应用，在国内人们也早已认识到它的优点和效果。与水平及近水平工作面相比较，大倾角综放工作面深孔超前预爆破工作在两巷炮孔参数方面存在很大差距。顶板角度决定着炮孔参数，爆破后顶板有向运输顺槽运动的趋势，对顶板冒落影响较大。大倾角综放工作面深孔超前预爆破工作旨在解决2130煤矿坚硬顶板的控制，防止坚硬顶板的大面积悬顶和悬顶后跨落产生的冲击波。同时，它也是在国内探索大倾角综放坚硬顶板控制的新途径。
2顶板特征
2.1顶板岩层组合和节理裂隙结构
2130煤矿5#煤层顶板无伪顶，个别区段有10～30cm的炭质砂岩伪顶。老顶岩石坚硬，由含砾中砂岩、含砾粗砂岩、砂砾岩、中砂岩、细砂岩和粉砂岩等岩石组成。岩石物理性质如表1。直接顶厚度一般为0.3～1.13m，层间多有1～12cm的软弱夹层，节理裂隙较发育，一般有2～3组，频度约1～5条/m。顶板裂隙倾角60?～88?，走向北偏东和北偏西，宽度0.5～1.5cm，多有泥质充填。
①主断层 ②支断层 ③裂隙
图1断层、裂隙与工作面关系示意图
胶结类型：以接触胶结为主，局部可见孔隙充填式胶结。
2.2岩石物理力学性质见下表
3顶板岩层应力状态数值分析
3.1模拟结果
为了探索开采5#煤层顶板破坏区域和应力分布状态，针对5#煤层顶板，利用岩石力学非线性有限元方程序进行了数值分析，计算采用NCAP-2D程序，四边形网络模型，各模型走向取65m，高度取35m。
5#煤层平均厚度5.1m，顶板无伪顶，直接顶为0.3～1.3米的砂砾岩硅质胶结坚硬，老顶为不同组构的砂岩和砂砾岩；按其破断运动对工作面的影响分为3组。见表2。
3.2结果分析
（1）顶板不进行人工处理时，直接顶和老顶垂直应力峰值不在同一位置，老顶的应力峰值系数小于2，控顶区工作面底板将发生拉破裂。
（2）直接顶的水平应力在煤壁前方1m急剧增大，而在控顶区骤然降低，反映直接顶在煤壁及控顶区处破坏，老顶的水平应力在支撑压力区有下降趋势，不会在煤壁上方造成顶板的破坏。
（3）各层位的最大剪应力均出现在煤壁附近。直接顶破坏是压应力作用下的剪切破坏。两组老顶的剪应力峰值叠加于煤壁附近，这种几组老顶沿煤壁剪切可能造成重大顶板灾害。
（4）2130煤矿顶板岩石，由于断层和近含煤地层的石炭系上泥盆统地层海西晚期花岗岩侵入，受动力和热力作用，成岩次生作用明显，岩石的矿物成分有电气石、绿泥石和白云母等变质矿物出现，胶结类型以接触胶结为主，胶结物产生重结晶作用，孔隙率低，抗压强度高，岩石致密坚硬，属坚硬顶板。
（5）老顶为中部的中粒岩屑砂岩层和下部含砾粗砂岩、岩屑砾砂岩、含砾粗中砂岩和含砾中粗砂岩组合岩层，多数顶板无直接顶，少数有较薄的直接顶。
（6）断层多，成群出现，接近煤层走向，顶板岩层中节理裂隙较发育，影响顶板的稳定性，一般接近主断层20～30 m左右，或工作面有支断层时顶板稳定性较差，可冒性较好；否则，顶板稳定性好，冒落性差。
（7）顶板岩层均为岩层裂隙承压含水层，地下水位水量，受季节和采动的影响。
（8）在煤层开采过程中，几组老顶沿工作面的剪切破坏，将造成重大灾害。生产实践证明，在七一平峒浅孔步距放顶长壁开采3#、4#、5#、7#煤层时，工作面曾被压垮，造成人身伤亡。
3.3模拟结论
2130煤矿25221综放工作面顶板必须使用预爆破工作进行处理，解决坚硬顶板经常大面积悬顶、煤壁片帮等安全问题。
4坚硬顶板处理途径
生产实践证明：由于老顶厚度大，浅孔步距放顶是不能根据解决顶板控制问题的，由于顶板岩石坚硬，浸水软化后仍是坚硬岩石；另一方面，岩层节理裂隙较发育，采用高压注水软化和压裂控制坚硬顶板的途径也是不可行的。有效的、合理的坚硬顶板控制途径，是超前深孔预爆破，利用炸药在顶板岩体中爆炸的能量，改变岩体的结构和力学性能，降低岩体的稳定性，增加其冒落性。或者采用深孔步距放顶，增加处理顶板高度，随工作面向前推进，及时处理采空区悬顶，使老顶局部冒落，减轻工作面支架载荷，保证安全生产。
5超前预爆破设计原则、方法及工艺研究
5.1超前预爆破控制坚硬顶板简述
超前预爆破是在工作面超前100m距离，预先在顶板中打孔爆破造成人工爆破裂隙带，随着工作面向前推进，顶板岩体原岩应力受采动附加应力影响，在工作面控顶区顶板岩体中分别形成压缩区、拉伸区和剪切区。人工爆破裂隙在拉应力区垂直应力方向的裂隙面将向最大方向扩展；在压缩区与应力方向斜交或接近的裂隙面分支和扩展；在顶板发生弯曲时，在剪应力的作用下，裂隙面将向岩体深部和采空区方向扩展。岩体中这种人工爆破裂隙的产生、分支和扩展，改变了岩体的结构和物理力学特性，从而改变了工作面附近应力峰值的位置，降低了应力峰值的大小，实现对坚硬顶板的控制。
5.2深孔内部爆破的作用机理
深孔内部爆破因为无自由面，且采用不偶合装药结构，其爆炸冲击波和应力波作用下岩石破坏为一个复杂的动力过程。炸药在岩石中爆炸所产生冲击波和应力波强烈地作用于岩体，使炮孔周围岩石沿径向发生着不同特征的破坏。依据岩石破坏特征的不同，通常分为压碎区、裂隙区和震动区。
5.3内部爆破所产生的裂隙区半径确定
5.3.1计算依据
对于深孔不偶合装药结构的内部爆破，其产生的初始裂隙区半径用下式计算：
式中：Pc—冲击波作用在孔壁岩石上的初始冲击压力，MPa；
rb—炮孔半径，mm
St—岩石抗拉强度，MPa
λ—岩石特性系数，λ=ν/（1－ν），ν为岩石泊松比
a—应力波衰减指数，a=2－λ
其中： （MPa）
式中：ρ0—炸药密度，kg / m3
V—炸药爆速，m/ s
n—爆炸产物冲击孔壁时的压力增大系数，一般n = 9～15
k—装药径向不偶合系数，k =炮孔半径/药卷半径
5.3.2炸药参数
炸药类别：煤矿许用乳化炸药；
炸药密度：ρ0=910Kg/m3；
炸药爆速：V=3200m/s；
压力增大系数：n=9；
装药不偶合系数：k=9/6=1.5；
初始冲击压力：Pc=15725Mpa；
炮孔半径：rb=45mm；
岩石抗拉强度：St=30Mpa；
岩石特性系数：λ=0.32；
岩石泊松比：ν=0.24；
应力波衰减指数：a=1.68。
5.3.3裂隙区半径
由计算依据及炸药参数计算得裂隙区半径
Rt=949mm
5.4超前预爆破炮孔布置方式
5.4.1炮孔布置方式
在对煤层顶板结构和物理力学特性进行充分研究的基础上，根据老顶岩层位置、总厚度；煤层厚度、倾角和采高；天然裂隙的产状要素；工作面倾斜长度；采煤工艺和凿岩爆破施工技术条件等诸多因素，合理设计炮孔布置方式。
5.4.2炮孔布置
炮孔布置和装药参数，包括炮孔间距、炮孔水平转角、炮孔上端装药高度、炮孔深度、炮孔倾角、炮孔下端装药高度、炮孔直径、装药量和充填堵塞长度等，根据这些参数确定的依据，又可分为基本参数和计算参数两类，基本参数的确定依据与炮孔布置方式确定依据相同，或适应其中的某几项依据，计算参数可；用基本参数进行计算确定。
5.4.3炮孔参数设计依据、计算方法
通过对2130煤矿坚硬顶板结构和物理特性的研究，综合分析炮孔布置和装药诸参数，结合工作面几何因素和采煤方法，为实现超前预爆破控制坚硬顶板的指标，我们建立了炮孔各参数确定的依据和计算方法。
（1）炮孔间距：炮孔间距由顶板自然来压步距、工作面支护条件和各炮孔在控制顶板中的作用来确定。
（2）炮孔水平转角：炮孔水平转角由顶板自然裂隙产状和凿岩施工技术条件确定。
（3）炮孔上端装药高度：炮孔上端装药高度由老顶厚度、高度、煤层厚度和采高，以及工作面斜长来确定。
（4）炮孔下端装药高度：炮孔下端装药高度由直接顶的特性炸药性能及装药量来确定。
5.6各炮孔参数计算结果
5.7超前预爆破工艺
5.7.1深孔凿岩
（1）钻机：根据顶板岩性特征及爆破参数，选用现有SKZ-120A型潜孔钻机，其主要性能参数为：
适应岩种：f=6～8
钻具一次推进：1000mm
钻孔直径：90mm
回转速度：60r/min
使用气压：0.5～0.7MPa
耗气量：7～8m3/min
（2）钻头及钻杆：根据所选钻机，选配CIR-90直径90mm的冲击器、钻头直径为90mm。钻杆直径为50mm。
（3）封孔器：选用BQF-100型，接受风压0.7MPa，堵孔时向孔内输送黄土细砂。
5.7.2起爆器材
（1）炸药：采用二级煤矿许用乳化炸药，防静电塑料壳包装，规格：直径60mm，长度550mm，重量3.5kg/m，联结方式为丝扣联结式。二级煤矿许用乳化炸药的主要性能指标如下：
猛度：≥10mm
爆力：≥250ml
爆速：≥3200m
殉爆距离：≥30mm
炸药用塑料筒包装。塑料筒的一端为圆顶形封头，带有公螺纹；另一端开口，带有母螺纹。根据炮孔深度塑料筒炸药卷可连接成任意长度的炸药串。
超前预爆破用炸药卷示意图
（2）导爆索：选用煤矿安全防水抗拉导爆索，其主要性能参数如下：
药量：12g/m
外径：6.2mm
爆速：>5500m
抗热性能：置于50+3℃环境6小时，外观及性能不变。
防水性能：浸入水中1m，1小时后导爆性能不变。
（3）雷管及发爆器：选用毫秒延期电雷管，利MFB-100型电容式发爆器起爆。
5.7.3装药结构
根据顶板岩石物理力学性质、岩体结构等，按松动爆破原则，用类比法并折合成所选炸药单耗，采用不偶合装药结构。为保证起爆的可靠性，每一个炮孔的炸药串由两根导爆索起爆，主导爆索插入孔底第一个药卷，副导爆索插入距孔底4～5m处的药卷。导爆索插入药卷的长度不小于200mm，导爆索由毫秒延期电雷管引爆，每次只准起爆一组炮孔，同一炮孔内的雷管段别必须一致。
5.7.4堵孔结构
为保障超前预爆破效果及防止爆炸气体外泄，炮孔的充填堵孔形式及质量至关重要。本工作面预爆破炮孔的堵孔结构采用塑—刚结构，即在充填堵孔段的前端采用充填黄土细砂等塑性材料，后端采用专用堵孔水泥，以保证爆炸气体不冲出孔口并对岩体产生持续的作用，充分利用炸药能量，提高超前预爆破效果。
塑—刚结构的堵孔方式，前端充填的黄土细砂等塑性材料能够使爆炸应力波迅速衰减，同时随着自身被压缩密实，对爆炸气体的阻力也迅速提高；后端专用堵孔水泥是为了进一步加强对炮孔的封堵作用，彻底避免冲孔事故的发生，同时也有效的防止了出现空气冲击波及飞散物的危害。
中部充填的黄土细砂配比为：黄土：细沙：水=75：20：5，由封孔器输送至孔内。
堵塞材料为新研制的专用材料，对于80mm炮孔，堵塞20分钟压入抗压力不低于50KN，充填材料为细砂、粘土、水按一定比例的混合物。
5.7.5装药和充填
（1）装药：向上炮孔装药的难度，主要取决于炮孔的深度和向上倾角大小，炮孔深度和倾角越大，装药越困难。对于倾角小于20?、深度小于30m的炮孔，一般用子母炮棍人工装药。对于深度大于25m、倾角大于25?的炮孔。
（2）充填:充填材料采用BQF－100型装药器输送。该设备承受风压0.7Mpa，工作风压0.2～0.4 Mpa。“堵塞材料”用木炮棍输送。
5.7.6起爆方法:
导爆索毫秒微差起爆。
6效果分析
6.1分析内容
超前预爆破控制坚硬顶板的效果，即工作面来压步距的缩小和来压强度的降低，受炮孔爆破裂隙范围大小的影响，以及爆破裂隙在支撑压力和采空区顶板弯曲等应力沿软弱接触面的可分离性。25112综放工作面自回采以来全工作面进行矿压观测。矿压观测作为评价超前预爆破控制顶板的效果和爆破参数合理性，主要参考数据有：（1）支架载荷；（2）顶底板移近量和速度；（3）顶板冒落步距。
工作面矿压显现特征，决定于顶板岩体特征、超前预爆破参数和工作面支护质量。应根据现场实际情况，及时调整爆破参数。
6.2超前预爆破支架载荷分析
由于顶板正常，基本上按超前爆破设计施工，保证了炮孔间距；但炮孔倾角和装药量略有变化。我们选了3个支架作为测点，分别是6、45、50号支架。从图上我们可以看出，50号支架最大载荷795KN，平均683KN，动载系数1.16。45号支架最大载荷779KN，平均675KN，动载系数1.15。6号支架最大载荷812KN，平均载荷698KN，动载系数1.16。采空区基本无悬顶，冒落块度小，大块率（长宽高尺寸大于1.5m）约10％左右。
6.3支护强度和顶底板移近量
支护强度和顶底板移近量与支护强度有关，但从观测统计平均值看是不大的。平均支护强度25MPa，平均顶底板移近量为68mm。
6.4超前预爆破顶板冒落特征
超前预爆破处理顶板后，理论要求工作面采空区顶板随着支架向前推移立即冒落，实际情况是在循环放顶步距内完全垮落。但在工作面控顶区内，未出现断裂和漏顶现象，基本无煤壁片帮现象。
7结论
（1）大倾角综放工作面深孔超前预爆破工作在2130煤矿25221综放工作面进行的超前预爆破控制坚硬顶板是成功的，获得了显著的效果。工作面支架载荷平均28MP，载荷变化平缓，来压步距在循环放顶步距内，消除了悬顶现象，降低了冒落块度和大块率。25221工作面超前预爆破控制坚硬顶板为我国的坚硬顶板控制开辟了一条新的途径。
（2）大倾角超前预爆破炮孔布置和爆破参数设计是合理的，有效地控制了顶板矿压显现强度。从垂直、水平和倾斜方向对工作面顶板进行全面控制，消除了大面积悬顶现象，降低了来压峰值。超前预爆破工艺简单合理，充填堵孔材料和结构有效地防止了爆炸空气冲击波，保证了直接顶的相对稳定和巷道安全，提高了炸药能量的利用和爆破效果。
（3）超前预爆破控制顶板适应范围广。对于不同厚度和高度的老顶，采用不同炮孔布置方案和爆破参数，可以控制不同的岩层结构的顶板。
（4）25221工作面超前预爆破工作将影响到综放顶煤的稳定性，合理控制封孔长度，提高封孔质量是防止预爆破破坏顶煤的关键，进而防止架前漏顶。
参考文献：
（1）耿献文主编.矿山压力测控技术.徐州：中国矿业大学出版社，2002.1
（2）刘英志等，大倾角厚煤层顶板破断规律的数值模拟研究，山西焦煤科技，2011（3）：26-30
（3）伍卫国，大倾角中厚煤层综放工作面回采技术实践，教育科学博览，2011（6）
作者简介：
宋志新，男，1968年出生，大专，工程师，1991年毕业于新疆工业高等专科学校采矿工程专业，现任新疆焦煤集团艾维尔沟焦煤公司2130煤矿副矿长。
关键词：大倾角；预爆破；综放；压力
Roof caving face large angle control technology research
Song Zhi-xin，LI Zeng-feng
（Xinjiang Coking Coal Group ewirgol Coal Company 2130 Coal Mine）
Abstract: 2130 for Xinjiang Coal Coking Coal Group 25112 caving face hole ahead of pre-blasting effects of the bursting of the hard roof of the technical research. Large angle hole caving ahead of the pre-face blasting hard to address the 2130 adit roof control, to prevent a large area of ??hard roof top and hanging hanging off the top after the shock wave generated across. At the same time, it is also a large dip in the country to explore the control of hard roof caving new ways.
Key words: large angle；pre-blasting；caving；pressure
1前言
随着生产实践、技术的发展、采煤方法的改变，特别是发展长壁综合机械化采煤后，坚硬顶板已被人们共认为一种灾害，造成大量人员伤亡和大量支架损坏。目前各国都在积极采取各种理论和技术措施来研究解决这一难题，比较有代表性的技术措施有：煤柱支撑、充填、步距爆破放顶、控制工作面推进速度、提高液压支架的支护强度、超前工作面高压注水和超前工作面预爆破等。
超前工作面深孔预爆破是在工作面超前一定距离预先打孔装药放炮，利用炸药在顶板岩体内部爆炸能量的作用，改变岩石的物理性质，使难冒顶顶板变为可冒顶板，从而达到控制坚硬顶板的目的，该顶板控制方法在国外已有应用，在国内人们也早已认识到它的优点和效果。与水平及近水平工作面相比较，大倾角综放工作面深孔超前预爆破工作在两巷炮孔参数方面存在很大差距。顶板角度决定着炮孔参数，爆破后顶板有向运输顺槽运动的趋势，对顶板冒落影响较大。大倾角综放工作面深孔超前预爆破工作旨在解决2130煤矿坚硬顶板的控制，防止坚硬顶板的大面积悬顶和悬顶后跨落产生的冲击波。同时，它也是在国内探索大倾角综放坚硬顶板控制的新途径。
2顶板特征
2.1顶板岩层组合和节理裂隙结构
2130煤矿5#煤层顶板无伪顶，个别区段有10～30cm的炭质砂岩伪顶。老顶岩石坚硬，由含砾中砂岩、含砾粗砂岩、砂砾岩、中砂岩、细砂岩和粉砂岩等岩石组成。岩石物理性质如表1。直接顶厚度一般为0.3～1.13m，层间多有1～12cm的软弱夹层，节理裂隙较发育，一般有2～3组，频度约1～5条/m。顶板裂隙倾角60?～88?，走向北偏东和北偏西，宽度0.5～1.5cm，多有泥质充填。
①主断层 ②支断层 ③裂隙
图1断层、裂隙与工作面关系示意图
胶结类型：以接触胶结为主，局部可见孔隙充填式胶结。
2.2岩石物理力学性质见下表
3顶板岩层应力状态数值分析
3.1模拟结果
为了探索开采5#煤层顶板破坏区域和应力分布状态，针对5#煤层顶板，利用岩石力学非线性有限元方程序进行了数值分析，计算采用NCAP-2D程序，四边形网络模型，各模型走向取65m，高度取35m。
5#煤层平均厚度5.1m，顶板无伪顶，直接顶为0.3～1.3米的砂砾岩硅质胶结坚硬，老顶为不同组构的砂岩和砂砾岩；按其破断运动对工作面的影响分为3组。见表2。
3.2结果分析
（1）顶板不进行人工处理时，直接顶和老顶垂直应力峰值不在同一位置，老顶的应力峰值系数小于2，控顶区工作面底板将发生拉破裂。
（2）直接顶的水平应力在煤壁前方1m急剧增大，而在控顶区骤然降低，反映直接顶在煤壁及控顶区处破坏，老顶的水平应力在支撑压力区有下降趋势，不会在煤壁上方造成顶板的破坏。
（3）各层位的最大剪应力均出现在煤壁附近。直接顶破坏是压应力作用下的剪切破坏。两组老顶的剪应力峰值叠加于煤壁附近，这种几组老顶沿煤壁剪切可能造成重大顶板灾害。
（4）2130煤矿顶板岩石，由于断层和近含煤地层的石炭系上泥盆统地层海西晚期花岗岩侵入，受动力和热力作用，成岩次生作用明显，岩石的矿物成分有电气石、绿泥石和白云母等变质矿物出现，胶结类型以接触胶结为主，胶结物产生重结晶作用，孔隙率低，抗压强度高，岩石致密坚硬，属坚硬顶板。
（5）老顶为中部的中粒岩屑砂岩层和下部含砾粗砂岩、岩屑砾砂岩、含砾粗中砂岩和含砾中粗砂岩组合岩层，多数顶板无直接顶，少数有较薄的直接顶。
（6）断层多，成群出现，接近煤层走向，顶板岩层中节理裂隙较发育，影响顶板的稳定性，一般接近主断层20～30 m左右，或工作面有支断层时顶板稳定性较差，可冒性较好；否则，顶板稳定性好，冒落性差。
（7）顶板岩层均为岩层裂隙承压含水层，地下水位水量，受季节和采动的影响。
（8）在煤层开采过程中，几组老顶沿工作面的剪切破坏，将造成重大灾害。生产实践证明，在七一平峒浅孔步距放顶长壁开采3#、4#、5#、7#煤层时，工作面曾被压垮，造成人身伤亡。
3.3模拟结论
2130煤矿25221综放工作面顶板必须使用预爆破工作进行处理，解决坚硬顶板经常大面积悬顶、煤壁片帮等安全问题。
4坚硬顶板处理途径
生产实践证明：由于老顶厚度大，浅孔步距放顶是不能根据解决顶板控制问题的，由于顶板岩石坚硬，浸水软化后仍是坚硬岩石；另一方面，岩层节理裂隙较发育，采用高压注水软化和压裂控制坚硬顶板的途径也是不可行的。有效的、合理的坚硬顶板控制途径，是超前深孔预爆破，利用炸药在顶板岩体中爆炸的能量，改变岩体的结构和力学性能，降低岩体的稳定性，增加其冒落性。或者采用深孔步距放顶，增加处理顶板高度，随工作面向前推进，及时处理采空区悬顶，使老顶局部冒落，减轻工作面支架载荷，保证安全生产。
5超前预爆破设计原则、方法及工艺研究
5.1超前预爆破控制坚硬顶板简述
超前预爆破是在工作面超前100m距离，预先在顶板中打孔爆破造成人工爆破裂隙带，随着工作面向前推进，顶板岩体原岩应力受采动附加应力影响，在工作面控顶区顶板岩体中分别形成压缩区、拉伸区和剪切区。人工爆破裂隙在拉应力区垂直应力方向的裂隙面将向最大方向扩展；在压缩区与应力方向斜交或接近的裂隙面分支和扩展；在顶板发生弯曲时，在剪应力的作用下，裂隙面将向岩体深部和采空区方向扩展。岩体中这种人工爆破裂隙的产生、分支和扩展，改变了岩体的结构和物理力学特性，从而改变了工作面附近应力峰值的位置，降低了应力峰值的大小，实现对坚硬顶板的控制。
5.2深孔内部爆破的作用机理
深孔内部爆破因为无自由面，且采用不偶合装药结构，其爆炸冲击波和应力波作用下岩石破坏为一个复杂的动力过程。炸药在岩石中爆炸所产生冲击波和应力波强烈地作用于岩体，使炮孔周围岩石沿径向发生着不同特征的破坏。依据岩石破坏特征的不同，通常分为压碎区、裂隙区和震动区。
5.3内部爆破所产生的裂隙区半径确定
5.3.1计算依据
对于深孔不偶合装药结构的内部爆破，其产生的初始裂隙区半径用下式计算：
式中：Pc—冲击波作用在孔壁岩石上的初始冲击压力，MPa；
rb—炮孔半径，mm
St—岩石抗拉强度，MPa
λ—岩石特性系数，λ=ν/（1－ν），ν为岩石泊松比
a—应力波衰减指数，a=2－λ
其中： （MPa）
式中：ρ0—炸药密度，kg / m3
V—炸药爆速，m/ s
n—爆炸产物冲击孔壁时的压力增大系数，一般n = 9～15
k—装药径向不偶合系数，k =炮孔半径/药卷半径
5.3.2炸药参数
炸药类别：煤矿许用乳化炸药；
炸药密度：ρ0=910Kg/m3；
炸药爆速：V=3200m/s；
压力增大系数：n=9；
装药不偶合系数：k=9/6=1.5；
初始冲击压力：Pc=15725Mpa；
炮孔半径：rb=45mm；
岩石抗拉强度：St=30Mpa；
岩石特性系数：λ=0.32；
岩石泊松比：ν=0.24；
应力波衰减指数：a=1.68。
5.3.3裂隙区半径
由计算依据及炸药参数计算得裂隙区半径
Rt=949mm
5.4超前预爆破炮孔布置方式
5.4.1炮孔布置方式
在对煤层顶板结构和物理力学特性进行充分研究的基础上，根据老顶岩层位置、总厚度；煤层厚度、倾角和采高；天然裂隙的产状要素；工作面倾斜长度；采煤工艺和凿岩爆破施工技术条件等诸多因素，合理设计炮孔布置方式。
5.4.2炮孔布置
炮孔布置和装药参数，包括炮孔间距、炮孔水平转角、炮孔上端装药高度、炮孔深度、炮孔倾角、炮孔下端装药高度、炮孔直径、装药量和充填堵塞长度等，根据这些参数确定的依据，又可分为基本参数和计算参数两类，基本参数的确定依据与炮孔布置方式确定依据相同，或适应其中的某几项依据，计算参数可；用基本参数进行计算确定。
5.4.3炮孔参数设计依据、计算方法
通过对2130煤矿坚硬顶板结构和物理特性的研究，综合分析炮孔布置和装药诸参数，结合工作面几何因素和采煤方法，为实现超前预爆破控制坚硬顶板的指标，我们建立了炮孔各参数确定的依据和计算方法。
（1）炮孔间距：炮孔间距由顶板自然来压步距、工作面支护条件和各炮孔在控制顶板中的作用来确定。
（2）炮孔水平转角：炮孔水平转角由顶板自然裂隙产状和凿岩施工技术条件确定。
（3）炮孔上端装药高度：炮孔上端装药高度由老顶厚度、高度、煤层厚度和采高，以及工作面斜长来确定。
（4）炮孔下端装药高度：炮孔下端装药高度由直接顶的特性炸药性能及装药量来确定。
5.6各炮孔参数计算结果
5.7超前预爆破工艺
5.7.1深孔凿岩
（1）钻机：根据顶板岩性特征及爆破参数，选用现有SKZ-120A型潜孔钻机，其主要性能参数为：
适应岩种：f=6～8
钻具一次推进：1000mm
钻孔直径：90mm
回转速度：60r/min
使用气压：0.5～0.7MPa
耗气量：7～8m3/min
（2）钻头及钻杆：根据所选钻机，选配CIR-90直径90mm的冲击器、钻头直径为90mm。钻杆直径为50mm。
（3）封孔器：选用BQF-100型，接受风压0.7MPa，堵孔时向孔内输送黄土细砂。
5.7.2起爆器材
（1）炸药：采用二级煤矿许用乳化炸药，防静电塑料壳包装，规格：直径60mm，长度550mm，重量3.5kg/m，联结方式为丝扣联结式。二级煤矿许用乳化炸药的主要性能指标如下：
猛度：≥10mm
爆力：≥250ml
爆速：≥3200m
殉爆距离：≥30mm
炸药用塑料筒包装。塑料筒的一端为圆顶形封头，带有公螺纹；另一端开口，带有母螺纹。根据炮孔深度塑料筒炸药卷可连接成任意长度的炸药串。
超前预爆破用炸药卷示意图
（2）导爆索：选用煤矿安全防水抗拉导爆索，其主要性能参数如下：
药量：12g/m
外径：6.2mm
爆速：>5500m
抗热性能：置于50+3℃环境6小时，外观及性能不变。
防水性能：浸入水中1m，1小时后导爆性能不变。
（3）雷管及发爆器：选用毫秒延期电雷管，利MFB-100型电容式发爆器起爆。
5.7.3装药结构
根据顶板岩石物理力学性质、岩体结构等，按松动爆破原则，用类比法并折合成所选炸药单耗，采用不偶合装药结构。为保证起爆的可靠性，每一个炮孔的炸药串由两根导爆索起爆，主导爆索插入孔底第一个药卷，副导爆索插入距孔底4～5m处的药卷。导爆索插入药卷的长度不小于200mm，导爆索由毫秒延期电雷管引爆，每次只准起爆一组炮孔，同一炮孔内的雷管段别必须一致。
5.7.4堵孔结构
为保障超前预爆破效果及防止爆炸气体外泄，炮孔的充填堵孔形式及质量至关重要。本工作面预爆破炮孔的堵孔结构采用塑—刚结构，即在充填堵孔段的前端采用充填黄土细砂等塑性材料，后端采用专用堵孔水泥，以保证爆炸气体不冲出孔口并对岩体产生持续的作用，充分利用炸药能量，提高超前预爆破效果。
塑—刚结构的堵孔方式，前端充填的黄土细砂等塑性材料能够使爆炸应力波迅速衰减，同时随着自身被压缩密实，对爆炸气体的阻力也迅速提高；后端专用堵孔水泥是为了进一步加强对炮孔的封堵作用，彻底避免冲孔事故的发生，同时也有效的防止了出现空气冲击波及飞散物的危害。
中部充填的黄土细砂配比为：黄土：细沙：水=75：20：5，由封孔器输送至孔内。
堵塞材料为新研制的专用材料，对于80mm炮孔，堵塞20分钟压入抗压力不低于50KN，充填材料为细砂、粘土、水按一定比例的混合物。
5.7.5装药和充填
（1）装药：向上炮孔装药的难度，主要取决于炮孔的深度和向上倾角大小，炮孔深度和倾角越大，装药越困难。对于倾角小于20?、深度小于30m的炮孔，一般用子母炮棍人工装药。对于深度大于25m、倾角大于25?的炮孔。
（2）充填:充填材料采用BQF－100型装药器输送。该设备承受风压0.7Mpa，工作风压0.2～0.4 Mpa。“堵塞材料”用木炮棍输送。
5.7.6起爆方法:
导爆索毫秒微差起爆。
6效果分析
6.1分析内容
超前预爆破控制坚硬顶板的效果，即工作面来压步距的缩小和来压强度的降低，受炮孔爆破裂隙范围大小的影响，以及爆破裂隙在支撑压力和采空区顶板弯曲等应力沿软弱接触面的可分离性。25112综放工作面自回采以来全工作面进行矿压观测。矿压观测作为评价超前预爆破控制顶板的效果和爆破参数合理性，主要参考数据有：（1）支架载荷；（2）顶底板移近量和速度；（3）顶板冒落步距。
工作面矿压显现特征，决定于顶板岩体特征、超前预爆破参数和工作面支护质量。应根据现场实际情况，及时调整爆破参数。
6.2超前预爆破支架载荷分析
由于顶板正常，基本上按超前爆破设计施工，保证了炮孔间距；但炮孔倾角和装药量略有变化。我们选了3个支架作为测点，分别是6、45、50号支架。从图上我们可以看出，50号支架最大载荷795KN，平均683KN，动载系数1.16。45号支架最大载荷779KN，平均675KN，动载系数1.15。6号支架最大载荷812KN，平均载荷698KN，动载系数1.16。采空区基本无悬顶，冒落块度小，大块率（长宽高尺寸大于1.5m）约10％左右。
6.3支护强度和顶底板移近量
支护强度和顶底板移近量与支护强度有关，但从观测统计平均值看是不大的。平均支护强度25MPa，平均顶底板移近量为68mm。
6.4超前预爆破顶板冒落特征
超前预爆破处理顶板后，理论要求工作面采空区顶板随着支架向前推移立即冒落，实际情况是在循环放顶步距内完全垮落。但在工作面控顶区内，未出现断裂和漏顶现象，基本无煤壁片帮现象。
7结论
（1）大倾角综放工作面深孔超前预爆破工作在2130煤矿25221综放工作面进行的超前预爆破控制坚硬顶板是成功的，获得了显著的效果。工作面支架载荷平均28MP，载荷变化平缓，来压步距在循环放顶步距内，消除了悬顶现象，降低了冒落块度和大块率。25221工作面超前预爆破控制坚硬顶板为我国的坚硬顶板控制开辟了一条新的途径。
（2）大倾角超前预爆破炮孔布置和爆破参数设计是合理的，有效地控制了顶板矿压显现强度。从垂直、水平和倾斜方向对工作面顶板进行全面控制，消除了大面积悬顶现象，降低了来压峰值。超前预爆破工艺简单合理，充填堵孔材料和结构有效地防止了爆炸空气冲击波，保证了直接顶的相对稳定和巷道安全，提高了炸药能量的利用和爆破效果。
（3）超前预爆破控制顶板适应范围广。对于不同厚度和高度的老顶，采用不同炮孔布置方案和爆破参数，可以控制不同的岩层结构的顶板。
（4）25221工作面超前预爆破工作将影响到综放顶煤的稳定性，合理控制封孔长度，提高封孔质量是防止预爆破破坏顶煤的关键，进而防止架前漏顶。
参考文献：
（1）耿献文主编.矿山压力测控技术.徐州：中国矿业大学出版社，2002.1
（2）刘英志等，大倾角厚煤层顶板破断规律的数值模拟研究，山西焦煤科技，2011（3）：26-30
（3）伍卫国，大倾角中厚煤层综放工作面回采技术实践，教育科学博览，2011（6）
作者简介：
宋志新，男，1968年出生，大专，工程师，1991年毕业于新疆工业高等专科学校采矿工程专业，现任新疆焦煤集团艾维尔沟焦煤公司2130煤矿副矿长。