預(yù)裂爆破技術(shù)在601采面過(guò)陷落柱中的應(yīng)用

張鵬飛

（山西焦煤山煤國(guó)際長(zhǎng)春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101）

陷落柱是綜采工作面常見(jiàn)地質(zhì)構(gòu)造之一。陷落柱侵入后不僅破壞了回采煤層整體穩(wěn)定性、增加了機(jī)械破巖量[1-4]，而且工作面在過(guò)陷落柱區(qū)時(shí)，圍巖穩(wěn)定性差，很容易出現(xiàn)頂板破碎、冒漏現(xiàn)象。目前我國(guó)多數(shù)煤礦主要采用采煤機(jī)強(qiáng)行破巖法過(guò)陷落區(qū)。但是當(dāng)陷落柱內(nèi)巖體硬度大以及陷落區(qū)范圍大時(shí)，采用機(jī)械破巖不僅回采效率低、回采難度大[5-7]，而且增加了機(jī)械設(shè)備故障率，不利于工作面安全回采[8]。因此，根據(jù)陷落柱腔體巖體巖性合理選擇回采工藝對(duì)工作面安全高效回采具有重要意義。以長(zhǎng)春興煤礦601工作面為對(duì)象，對(duì)工作面過(guò)X4陷落柱時(shí)的方法、措施進(jìn)行分析比較，通過(guò)對(duì)陷落柱內(nèi)巖體提前進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破，使巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙帶，弱化巖體力學(xué)結(jié)構(gòu)，從而降低巖體硬度，達(dá)到工作面順利過(guò)陷落柱的目的。

1 概述

山西焦煤山煤國(guó)際長(zhǎng)春興煤業(yè)有限公司601工作面位于井田南盤區(qū)，工作面東部為盤區(qū)大巷，南部為井田邊界及中煤金海洋五家溝煤礦5214工作面采空區(qū)，西部為礦井西部礦界及山煤集團(tuán)韓家洼煤礦，北部為設(shè)計(jì)南盤區(qū)西南部未開(kāi)采區(qū)域，如圖1所示。

圖1 601工作面平面布置

601工作面走向長(zhǎng)1 460 m，傾斜寬230 m，開(kāi)采22#煤層，煤層總厚12.47 m，儲(chǔ)量計(jì)算厚度9.5 m，含3-4層夾矸。煤層大致走向東西，傾向北。傾角較小，平均2°，呈一單斜構(gòu)造。煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 22#煤層頂?shù)装鍘r性匯總

601工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，采用全部垮落法處理采空區(qū)，平均采高為3.5 m，放煤高度為6.0 m，采放比例為1:1.7。

2 回采方案優(yōu)化

2.1 工作面揭露構(gòu)造情況

601工作面回采至764 m處，尾部（130#～114#支架）煤壁揭露X4陷落柱，該陷落柱長(zhǎng)軸與運(yùn)輸順槽走向近似平行，長(zhǎng)軸長(zhǎng)為54 m，短軸長(zhǎng)為26.7 m，陷落柱貫穿整個(gè)工作面，腔體內(nèi)巖體主要以中粗砂巖為主，巖體單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)55 MPa。

2.2 工作面前期回采情況

601工作面揭露X4陷落柱后主要采用采煤機(jī)強(qiáng)行破巖進(jìn)行回采，由于揭露的陷落柱巖體硬度高，采煤機(jī)截割負(fù)荷大，導(dǎo)致截齒損壞嚴(yán)重，而且工作面回采效率低。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，601工作面從764～780 m回采期間共計(jì)損壞采煤機(jī)截齒37個(gè)，截割電機(jī)負(fù)荷加大，導(dǎo)致截割部發(fā)熱閉鎖停機(jī)3次，影響工作面回采時(shí)間達(dá)8.9 h；同時(shí)由于巖體厚度大，采煤機(jī)強(qiáng)行破巖時(shí)效率相對(duì)較低，工作面回采速度不足3.2 m/d。

2.3 回采方案優(yōu)化

為提高工作面回采效率，降低設(shè)備故障率，針對(duì)陷落柱區(qū)域的回采作業(yè)，提出三種方案。

（1）采用松動(dòng)爆破方法過(guò)陷落柱，布置3排計(jì)45個(gè)爆破鉆孔，如圖2所示。每個(gè)鉆孔內(nèi)填裝300 g礦用乳化炸藥、1發(fā)毫秒延期電雷管，每次爆破松動(dòng)炮孔數(shù)量為5個(gè)。采用陷落柱巖體松動(dòng)爆破后可以有效減少采煤機(jī)破巖量，降低設(shè)備故障率，但是松動(dòng)爆破時(shí)鉆孔施工、爆破等施工工序復(fù)雜，施工周期長(zhǎng)，工作面回采效率低。

圖2 松動(dòng)爆破孔平面布置

（2）采用繞道法進(jìn)行回采，即在陷落柱與煤層交界處施工兩條互相垂直的巷道，工作面回采時(shí)將陷落柱直接甩入采空區(qū)內(nèi)。采用該方法回采時(shí)無(wú)需破巖，但是需對(duì)尾部114#～130#支架進(jìn)行提前搬運(yùn)至工作面前方新掘巷道內(nèi)（如圖3所示），勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大，而且在回采期間工作面與超前巷道貫通時(shí)，圍巖出現(xiàn)破碎巖性，圍巖維護(hù)困難，不利于施工安全。

圖3 繞道法過(guò)陷落柱平面

（3）深孔預(yù)裂爆破方法，對(duì)陷落柱巖體施工超長(zhǎng)鉆孔，然后對(duì)鉆孔內(nèi)填裝乳化炸藥對(duì)陷落區(qū)巖體進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破，巖體在爆破震動(dòng)的作用下產(chǎn)生裂隙，降低了巖體致密性，爆破施工后采用采煤機(jī)回采時(shí)，降低了采煤機(jī)破巖難度。該方法施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，提高了采煤機(jī)破巖效率，降低了采煤機(jī)破巖期間故障率。

通過(guò)對(duì)比分析，決定采用深孔預(yù)裂爆破施工技術(shù)過(guò)X4陷落區(qū)。

3 深孔預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用

3.1 深孔預(yù)裂爆破技術(shù)原理

在需要爆破的圍巖施工爆破鉆孔，在鉆孔內(nèi)填裝聚能管及乳化炸藥進(jìn)行起爆。聚能管內(nèi)炸藥起爆后，由于裝藥結(jié)構(gòu)的不耦合狀態(tài)和爆轟氣體準(zhǔn)靜應(yīng)力作用，使得非設(shè)定方向上圍巖產(chǎn)生均勻抗壓[9]，在設(shè)定的2個(gè)方向（聚能管切槽方向）上集中抗拉；同時(shí)，爆轟產(chǎn)生的沖擊波和應(yīng)力波優(yōu)先沿設(shè)定聚能管切槽方向集中釋放，致使爆炸能作用于2個(gè)方向的孔壁處，當(dāng)作用于鉆孔孔壁上的拉應(yīng)力大于巖石動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí)，就形成與2個(gè)聚能管切槽方向一致的徑向預(yù)裂縫[10]，爆轟氣體優(yōu)先沿2個(gè)聚能管切槽方向驅(qū)動(dòng)裂隙并使其加速擴(kuò)展，如圖4所示。

圖4 深孔爆破預(yù)裂原理

3.2 預(yù)裂爆破孔布置方式

陷落柱爆破鉆孔采用“三花”布置方式，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔深度為15 m，相鄰兩排鉆孔布置間距為2.0 m，第一排鉆孔開(kāi)口位置距頂板間距為0.7 m，第二排鉆孔開(kāi)口位置距底板間距為0.8 m，每組布置三個(gè)鉆孔，相鄰兩組鉆孔布置間距為2.5 m，相鄰兩組鉆孔采用三花邁步式布置，如圖5所示。

圖5 預(yù)裂爆破施工平面

3.3 聚能管結(jié)構(gòu)

聚能管由主體管、連接套筒、定位裝置3部分組成。主體管采用長(zhǎng)度為2.0 m，外徑為65 mm，壁厚為3.5 mm，內(nèi)徑為58 mm的PVC圓管。聚能管具有阻燃性能好、抗靜電效果好等優(yōu)點(diǎn)，在主體管兩側(cè)對(duì)稱切槽，切槽長(zhǎng)度與主體管長(zhǎng)度一致，切槽寬度為5 mm，深度為2 mm，相鄰兩根聚能管采用套筒進(jìn)行固定，聚能管的上、下兩端分別設(shè)置有1個(gè)對(duì)穿定位孔，如圖6所示。

圖6 聚能爆破裝藥結(jié)構(gòu)

3.4 施工工序及操作要領(lǐng)

（1）爆破鉆孔施工完后為了掌握炮孔是否變形、塌孔，保證聚能管是否可順利裝入，應(yīng)采用專用聚能輸送管串接作為探桿進(jìn)行探孔施工，探孔過(guò)程中應(yīng)安排專人記錄有效孔深。如果遇到卡阻現(xiàn)象，說(shuō)明孔內(nèi)有殘?jiān)?，接入壓風(fēng)管處理，或者將該鉆孔廢棄重新鉆孔施工[11]。

（2）探孔完成后進(jìn)行聚能管及炸藥填裝，每個(gè)鉆孔內(nèi)安裝6根聚能管，每節(jié)聚能管內(nèi)填裝2支礦用乳化炸藥，裝藥量為0.6 kg；首先將第一根聚能管定位孔穿入定位鋼絲，在鋼絲出口處安裝定位銷，聚能管安裝時(shí)確保切槽中心線與鉆孔中心線垂直布置。

（3）第二節(jié)聚能管裝藥及聚能管安裝工序與第一節(jié)相同，相鄰兩節(jié)聚能管在進(jìn)行對(duì)接時(shí)，首先將圓形套筒環(huán)內(nèi)壁涂抹粘接劑，將第一節(jié)聚能管上端頭插入環(huán)形套筒內(nèi)至套筒凸起，插入套筒內(nèi)深度為0.15 m，將第二節(jié)聚能管下端頭同樣插入套筒內(nèi)，兩節(jié)聚能管連接后保證切槽在同一條水平線上[12]。

（4）為了防止聚能管之間的炸藥斷開(kāi)，引起鉆孔內(nèi)殘爆，在最前面的第一根聚能管與最后一根聚能管之間采用導(dǎo)爆索連接，具體方法為：準(zhǔn)備好足夠長(zhǎng)度的導(dǎo)爆索，在聚能管推入鉆孔孔口之前，在聚能管上鉆一對(duì)穿孔，直徑略大于導(dǎo)爆索直徑，導(dǎo)爆索一端穿過(guò)對(duì)穿孔20～50 cm，另一端順著聚能管向下，用膠帶紙纏緊，直接連到最后一根聚能管。在最后一根聚能管插入2只雷管，將兩只雷管腳線并聯(lián)，用雷管母線連接并聯(lián)腳線，順聚能管引出。

（5）爆破鉆孔內(nèi)聚能管及炸藥安裝后對(duì)孔口處采用水炮泥進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為3.0 m。待所有工序完成后進(jìn)行爆破施工，每次爆破一組鉆孔，陷落柱區(qū)共計(jì)布置10組鉆孔，鉆孔爆破后采用采煤機(jī)繼續(xù)回采。

3.5 應(yīng)用效果

（1）截止2021年3月14日，采取深孔預(yù)裂爆破技術(shù)后，601工作面已完全通過(guò)陷落柱，現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，預(yù)裂爆破降低了巖體強(qiáng)度及致密性，采煤機(jī)割煤時(shí)難度減小，局部大塊矸石，僅需松動(dòng)爆破即可。

（2）采用深孔預(yù)裂爆破后，采煤機(jī)共計(jì)更換7個(gè)截齒，未發(fā)生一起因采煤機(jī)破巖負(fù)荷大導(dǎo)致截割部發(fā)熱停機(jī)現(xiàn)象，減少了設(shè)備維修費(fèi)用達(dá)20余萬(wàn)元。

（3）與傳統(tǒng)松動(dòng)爆破施工以及繞道法施工相比，深孔爆破預(yù)裂施工工藝簡(jiǎn)化了作業(yè)工序，保證了工作面回采安全，提高了工作面回采效率，后期回采過(guò)程中回采速度達(dá)6.0 m/d。

4 結(jié)論

1）對(duì)601工作面陷落柱巖體采取深孔預(yù)裂爆破，能夠改變巖體內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)，并可對(duì)陷落柱巖體產(chǎn)生超前預(yù)裂，降低巖體抗壓強(qiáng)度及致密性，緩解采煤機(jī)組截割難度，降低采煤設(shè)備故障率。

2）在進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破施工時(shí)應(yīng)合理掌握鉆孔布置方式及裝藥量，根據(jù)巖體強(qiáng)度可在原“三花”鉆孔的基礎(chǔ)上布置空眼，從而保證爆破施工時(shí)能夠形成連續(xù)穩(wěn)定的自由面，可增強(qiáng)爆破效果。

3）采用預(yù)裂爆技術(shù)后，工作面過(guò)陷落柱推進(jìn)速度由原3.2 m/d提高至6.0 m/d，設(shè)備故障率降低了74%。