深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在綜采面初次放頂中的應(yīng)用

胡 濱，梁小興，王有發(fā)，蔚文忠，楊清泉

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；2.陜西省何家塔煤礦，陜西 神木 719315)

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深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在綜采面初次放頂中的應(yīng)用

胡 濱1，梁小興2，王有發(fā)2，蔚文忠2，楊清泉2

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013；2.陜西省何家塔煤礦，陜西 神木 719315)

為解決堅(jiān)硬頂板在回采工作面初采時(shí)的技術(shù)難題，采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行工作面初次放頂?shù)墓I(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：深孔預(yù)裂爆破技術(shù)強(qiáng)制爆落的煤巖塊基本可以充滿支架后方的采空區(qū)，改變了頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)，有效減弱頂板初次來(lái)壓時(shí)的動(dòng)載沖擊作用，避免颶風(fēng)的形成，為類似條件下的煤層頂板控制提供了參考。

深孔預(yù)裂爆破；初次放頂；堅(jiān)硬難垮頂板

頂板災(zāi)害是煤礦五大災(zāi)害之一，對(duì)巷道掘進(jìn)、工作面回采具有很大影響，由于賦存在煤層上方的堅(jiān)硬難垮巖層具有厚度大、強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙構(gòu)造不發(fā)育、整體性強(qiáng)等特點(diǎn)，在工作面回采過(guò)程中，通常大面積懸露，短期內(nèi)不易自然垮落，而一旦垮落往往表現(xiàn)為一次垮落面積大、動(dòng)壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、易形成颶風(fēng)等現(xiàn)象，同時(shí)垮落的矸石極易把采空區(qū)的CH4，CO等有毒有害氣體沖出，容易引發(fā)重特大安全事故，此外當(dāng)煤巖體具有沖擊傾向性時(shí)，還容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害，極易造成人員傷亡和設(shè)備損壞事故。

我國(guó)煤礦以井工開(kāi)采為主，煤層賦存條件復(fù)雜多變，約有1/3的煤層頂板屬于堅(jiān)硬難垮頂板，主要分布在山西、內(nèi)蒙、山東、新疆等礦區(qū)，比較典型的有大同礦區(qū)2號(hào)、3號(hào)、11號(hào)煤層頂板，山西晉城礦區(qū)的15號(hào)煤層頂板等，自建國(guó)以來(lái)僅大同礦務(wù)局就發(fā)生大面積頂板來(lái)壓事故40余起，嚴(yán)重危害煤礦的安全生產(chǎn)[1-3]。我國(guó)從上世紀(jì)50年代開(kāi)始研究其控制技術(shù)，取得了一系列進(jìn)展[3-17]，可簡(jiǎn)單概括為兩種不同的觀點(diǎn)和途徑：其一通過(guò)采空區(qū)充填、煤柱支撐等采煤方法的改進(jìn)維持頂板穩(wěn)定不冒，安全采出煤炭。這種方法直接成本較低，但煤炭資源損失量大，資源采出率低，且仍存在大面積來(lái)壓的威脅；其二通過(guò)技術(shù)手段及先進(jìn)設(shè)備和工藝主動(dòng)破壞頂板的整體完整性，防止或者減弱大面積的頂板來(lái)壓，最為典型的是在我國(guó)山西大同礦區(qū)進(jìn)行的“堅(jiān)硬頂板條件下綜合機(jī)械化開(kāi)采”科技攻關(guān)項(xiàng)目[5-6]，深入研究了強(qiáng)制爆破放頂與注水弱化堅(jiān)硬頂板兩種堅(jiān)硬頂板處理工藝，形成了以爆破為主，注水軟化為輔的方法體系，有力推動(dòng)了我國(guó)堅(jiān)硬難垮頂板控制理論與技術(shù)的發(fā)展。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

爆破弱化堅(jiān)硬頂板在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛，最早是由前蘇聯(lián)[6]在頓巴斯東部礦區(qū)采用超前松動(dòng)爆破技術(shù)降低基本頂周期來(lái)壓強(qiáng)度，改善工作面頂板狀況，保證了正?；夭?。隨后波蘭、印度學(xué)者[6]開(kāi)發(fā)出淺孔爆破與深孔爆破相結(jié)合的辦法降低了基本頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，降低了來(lái)壓強(qiáng)度，改善了支架受力狀況。我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)，王金安等[7]模擬分析采用了人工強(qiáng)制放頂和不采用人工強(qiáng)制放頂?shù)捻敯鍛?yīng)力變化情況，研究了不同開(kāi)采方法的圍巖破壞區(qū)域和應(yīng)力分布狀態(tài)。趙先春、宋占有等[8-9]通過(guò)對(duì)炮孔布置參數(shù)的合理選擇取得超前預(yù)爆破控制堅(jiān)硬頂板試驗(yàn)的成功。周登輝、伍永平等[10-11]借助于物理相似材料實(shí)驗(yàn)和三維數(shù)值模擬分析研究了深孔預(yù)爆破弱化堅(jiān)硬頂板時(shí)的頂板變形破壞規(guī)律，提出了“非等長(zhǎng)多炮孔、非均勻大藥量、高層位低震動(dòng)”的堅(jiān)硬頂板超前預(yù)爆破弱化方法。徐剛、劉全明、李春睿等[12-13]認(rèn)為不耦合裝藥系數(shù)對(duì)深孔爆破弱化堅(jiān)硬頂板的效果有直接的影響。張學(xué)亮等[14]分析了炮孔長(zhǎng)度、炮孔間距、封孔長(zhǎng)度、鉆孔直徑、裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)深孔爆破效果的影響?？偟膩?lái)說(shuō)，深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)煤層地質(zhì)條件、頂板巖性適應(yīng)性強(qiáng)，工程周期短，見(jiàn)效快，可以有效減小頂板來(lái)壓步距并降低來(lái)壓強(qiáng)度，消除頂板大面積來(lái)壓產(chǎn)生的危害，且施工過(guò)程和工作面的正常生產(chǎn)無(wú)相互干擾，是治理堅(jiān)硬頂板的行之有效的方法。

基于以上背景，本文選擇深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在何家塔煤礦進(jìn)行工作面初次放頂工業(yè)性試驗(yàn)，為同類條件下的煤層頂板控制提供參考。

2 工程概況

何家塔煤礦主采煤層為5-2煤，煤層平均厚度3.0m，傾角1～5°，屬于近水平煤層，煤層節(jié)理裂隙不發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類型，為孔隙～裂隙充水礦床，煤層含水、導(dǎo)水性較強(qiáng)，煤層中賦存瓦斯含量較低，屬于低瓦斯礦井。煤層上部賦存有一層厚度0.10～0.30m的炭質(zhì)泥巖偽頂；直接頂為中等穩(wěn)定的中粗粒砂巖，零星分布有泥巖，厚度0.84～14.28m；基本頂以強(qiáng)度、厚度均較大的細(xì)砂巖為主，穩(wěn)定性較好；直接底為強(qiáng)度較低的砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，厚度為0.65～7.5m。采用現(xiàn)場(chǎng)原巖應(yīng)力測(cè)量法[15]測(cè)得水平應(yīng)力明顯大于垂直應(yīng)力，整個(gè)礦區(qū)以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主。

3 井下工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 深孔預(yù)裂爆破方案設(shè)計(jì)

何家塔煤礦煤層頂板屬于比較堅(jiān)硬頂板，采用綜合機(jī)械化后退式開(kāi)采，每天推進(jìn)度可達(dá)10～12m，為降低工作面初次來(lái)壓強(qiáng)度，選擇50103工作面切眼實(shí)施深孔預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)制放頂。為使爆落煤巖塊充分充填架后方采空區(qū)，須確定合理的鉆孔長(zhǎng)度，影響因素主要有工作面頂板厚度、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、鉆機(jī)能力、煤礦導(dǎo)爆索單卷長(zhǎng)度等，其中頂板厚度應(yīng)優(yōu)先考慮，常用經(jīng)驗(yàn)公式：

H = M/(Kp-1)

(1)

式中，H為有效放頂深度(垂直頂板方向)，m；M為工作面割煤高度，m；Kp為巖石碎脹系數(shù)。

切眼設(shè)計(jì)斷面為矩形，長(zhǎng)245m，寬7.5m，高3.2m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。取巖石碎脹系數(shù)為1.4，為保證冒落頂板矸石能完全充填采空區(qū)，計(jì)算出有效放頂深度約為8m。為便于施工，設(shè)計(jì)鉆孔長(zhǎng)度為12m，仰角45°，有效放頂深度為8.5m，水平投影長(zhǎng)度8.5m。整個(gè)切眼設(shè)計(jì)寬度為7.5m，從運(yùn)輸巷中心線處開(kāi)始布置炮眼，炮眼布置中心線距采空區(qū)側(cè)煤幫3m，按一雙(對(duì)眼)、兩單的方式分組布置，每組炮眼4個(gè)，兩對(duì)眼間距600mm，對(duì)稱分布在中心線兩側(cè)，其余炮眼間距10m，以此類推向回風(fēng)方向布置8組炮眼，第9組(最后一組)設(shè)計(jì)為3個(gè)炮眼，在切眼245m長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破放頂，共計(jì)布置35個(gè)鉆孔。工作面切眼深孔預(yù)裂爆破的鉆孔布置如圖1所示。

圖1 切眼頂板深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置示意

在工作面設(shè)備安裝前進(jìn)行切眼內(nèi)預(yù)裂爆破鉆孔的施工，炮眼直徑95mm，要求方位角必須與切眼中線平行或稍偏向采空區(qū)一側(cè)，工作面推進(jìn)6.4m、支架進(jìn)入工作面煤壁后進(jìn)行強(qiáng)制爆破落頂作業(yè)，要求機(jī)頭、機(jī)尾超前拉架，支架必須給足初撐力做到接頂嚴(yán)密，超前支護(hù)符合要求。

3.2 炮眼裝藥結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

考慮粗、中粒砂巖厚層堅(jiān)硬頂板的力學(xué)強(qiáng)度和預(yù)裂爆破效果，選用高威力的二級(jí)煤礦許用乳化炸藥。雷管選用煤礦毫秒延期電雷管，起爆方式采用延期電雷管+導(dǎo)爆索配合起爆，雙導(dǎo)爆索裝到眼孔底部，用2個(gè)毫秒雷管引爆導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索引爆PVC管內(nèi)的炸藥，平均每孔裝藥28kg，炮眼裝藥長(zhǎng)度約為10m，剩余長(zhǎng)度用黃泥筒、黃泥卷封孔，孔口用木楔子打緊，同時(shí)將導(dǎo)爆索從溝槽引出。采用串聯(lián)方式分組聯(lián)線，聯(lián)線用母線加長(zhǎng)，一次起爆2組炮眼，從機(jī)尾一側(cè)開(kāi)始向機(jī)頭方向連線放炮，放炮員在新鮮風(fēng)流側(cè)連線放炮，炮煙隨著回風(fēng)風(fēng)流流經(jīng)的巷道不許有人，為保證爆破作業(yè)安全，要求警戒和放炮安全距離不小于300m。

3.3 強(qiáng)制爆破放頂效果分析

在工作面推進(jìn)6.4m、工作面支架進(jìn)入回采煤壁后開(kāi)始裝藥，依據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行預(yù)裂爆破放頂。爆落煤巖塊基本充滿支架后方的采空區(qū)，采空區(qū)頂板在推進(jìn)方向上由兩端固定梁變?yōu)閼冶哿航Y(jié)構(gòu)。在工作面推進(jìn)至約52m位置時(shí)，工作面基本頂初次來(lái)壓，液壓支架工作阻力急劇上升，約1/3液壓支架立柱安全閥開(kāi)啟卸壓。由于初次放頂爆落矸石基本充滿切眼采空區(qū)，隨著采面推移后期直接頂巖石隨采隨冒及時(shí)充填了回采空間，有效減弱了基本頂初次來(lái)壓時(shí)的動(dòng)載沖擊作用，避免了颶風(fēng)的形成，未對(duì)作業(yè)人員及工作面電氣設(shè)備造成破壞影響，保證了初次來(lái)壓前后工作面的安全生產(chǎn)。表明深孔預(yù)裂爆破技術(shù)可以有效減弱基本頂來(lái)壓時(shí)的沖擊載荷，但是爆破易產(chǎn)生大量有毒有害氣體，必須制定專項(xiàng)安全技術(shù)措施確保技術(shù)方案的實(shí)施。

4 結(jié) 論

(1)堅(jiān)硬難垮頂板具有初次垮落步距大、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈等特點(diǎn)，對(duì)工作面生產(chǎn)具有嚴(yán)重威脅，可以通過(guò)采取各種技術(shù)措施來(lái)破壞頂板完整性，防止或者減弱大面積的頂板來(lái)壓。

(2)工作面支架進(jìn)入回采煤壁后進(jìn)行強(qiáng)制放頂?shù)谋涿簬r塊基本充滿架后采空區(qū)，改變了頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)，直接頂巖石隨工作面推進(jìn)及時(shí)冒落充填了回采空間，工作面推進(jìn)至約52m位置時(shí)基本頂初次來(lái)壓，但強(qiáng)度明顯減弱，動(dòng)載沖擊作用得到極大緩解。

(3)超前深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)煤層地質(zhì)條件、頂板巖性的適應(yīng)性強(qiáng)，但安全性較差，易產(chǎn)生大量有毒有害氣體，必須堅(jiān)持“一炮三檢”和“三人連鎖放炮制度”，對(duì)于高瓦斯礦井還應(yīng)采取防止瓦斯或煤塵爆炸的專項(xiàng)安全技術(shù)措施。

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[責(zé)任編輯：林 健]

First Roof Caving in Fully Mechanized Coal Face with Deep Hole Presplitting Blasting

(1.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Shaanxi Province Hejiata Coal Mine，Shenmu 719315，China)

In order to solve the difficulty problem of harden roof during the first mining of working face，the industrial experiment of first roof caving of working face with deep hole presplitting blasting was processed，the experimental results showed that the goaf behind supports could be filled fully with coal and rock blocks that appeared after deep hole presplitting blasting，then the mechanical structural of roof was changed，dynamic loading impacting was decreased effectively of first pressure of roof,hurricane in mine was stopped，it references for roof control in similar situation.

deep hole presplitting blasting；first roof caving；harden and difficult caving roof

2016-05-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.015

國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目：基于煤礦井下綜合應(yīng)力場(chǎng)的煤巖動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)與控制基礎(chǔ)研究(U1261211)

胡 濱(1985-)，男，山東寧陽(yáng)人，碩士，工程師，主要從事巖石力學(xué)與巷道支護(hù)技術(shù)等方面的研究工作。

胡 濱，梁小興，王有發(fā)，等.深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在綜采面初次放頂中的應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(6)：54-56.

TD327.2 3

A

1006-6225(2016)06-0054-03