預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)在放頂煤工作面的應(yīng)用

崔建兵

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 興縣 033602)

隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度的增加和規(guī)模的擴(kuò)大，西山晉興能源斜溝煤礦21采區(qū)23105工作面形成孤島工作面，回采時(shí)受相鄰左、右工作面(23103、23107工作面)的采動(dòng)影響，在巷道掘進(jìn)期間、工作面回采期間可能會(huì)出現(xiàn)頂板破碎、裂隙、離層，幫部片幫，底板鼓起等現(xiàn)象，對(duì)巷道的使用造成影響，僅僅采取單純的加密錨桿錨索、W鋼帶串錨索補(bǔ)強(qiáng)加固措施起不到應(yīng)有的效果，反而容易造成頂板巖體更加破碎，自身承載性能大幅度降低，不能徹底解決強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道支護(hù)問(wèn)題，而且支護(hù)和維修費(fèi)用高，影響礦井正常生產(chǎn)。13#煤相鄰工作面留設(shè)的煤柱為25 m(中-中)，考慮深孔預(yù)裂爆破切頂卸壓后，理論上可切斷動(dòng)壓傳遞，有效減少相鄰工作面尤其是動(dòng)壓的影響，因此，嘗試將相鄰工作面的煤柱縮小，計(jì)劃嘗試10 m煤柱( 幫-幫)，這樣將會(huì)有效提高煤炭回收率，減少資源浪費(fèi)。

1 試驗(yàn)工作面概況

工作面位于21采區(qū)回風(fēng)上山北側(cè)，西側(cè)、北側(cè)為實(shí)煤區(qū)，東北側(cè)為原斜溝煤礦13#煤采空區(qū)，工作面蓋山厚度：142～354 m. 工作面位于店灣村東南側(cè)，東北部有麻堰塔溝，黃家溝橫穿工作面中南部，經(jīng)實(shí)地調(diào)查，工作面上方地表無(wú)村莊、公路、電力等設(shè)施。

工作面煤層厚度為12.1～16.08 m，平均厚度14.35 m，煤層傾角7.9°～9.6°，平均8.8°，基本頂為中細(xì)粒砂巖，平均厚度4.49 m，直接頂為泥巖，平均厚度5.36 m. 直接底為泥巖，平均厚度3.45 m，基本底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度6.14 m.

工作面走向長(zhǎng)度為3 400.5 m，采長(zhǎng)為242.4 m，工作面可采儲(chǔ)量為1 303.6萬(wàn)t. 目前，工作面已回采約為620 m，剩余約為2 780.5 m.

2 切頂卸壓技術(shù)施工準(zhǔn)備及具體要求

2.1 爆破切頂卸壓的材料

1) 提供爆破所需的炸藥(一般為礦用三級(jí)乳化炸藥)、雷管、起爆器材、PVC管材、黃土(封孔用)、炮棍等材料。

2) 對(duì)爆破方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，自帶鉆機(jī)、封孔器及打鉆所需的相關(guān)設(shè)備及材料。

3) 配備一定數(shù)量的支護(hù)材料(錨桿及配套托片、錨索及配套托片、金屬網(wǎng)、鋼帶、單體液壓支柱及固安特注漿材料)，用于試驗(yàn)工作面皮帶巷頂、幫破碎，壓力顯現(xiàn)時(shí)的巷道維護(hù)。

2.2 施工爆破鉆孔的設(shè)計(jì)

1) 施工鉆孔的間排距。

試驗(yàn)工作面使用預(yù)裂爆破切頂卸壓技術(shù)，在皮帶巷煤柱幫側(cè)頂板上施工一排鉆孔(鉆孔分為炮孔及切縫孔)，炮孔與切縫孔間隔布置，間距為500 mm.

2) 施工鉆孔的孔徑及深度。

采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，將特定規(guī)格的炸藥裝在兩個(gè)設(shè)定方向有聚能效應(yīng)的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設(shè)定方向上均勻受壓，而在設(shè)定方向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設(shè)定方向拉裂成型，實(shí)現(xiàn)被爆破體按設(shè)定方向張拉斷裂成型。

該爆破技術(shù)是在對(duì)比研究多種聚能爆破和定向爆破方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型聚能爆破技術(shù)，施工工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用時(shí)只需要在預(yù)裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向?qū)?yīng)于巖體預(yù)裂方向。爆轟產(chǎn)物將在兩個(gè)設(shè)定方向上形成聚能流，并產(chǎn)生集中張拉應(yīng)力，使預(yù)裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預(yù)裂面。由于鉆孔間的巖石是斷裂的，爆破炸藥單耗將下降，同時(shí)由于聚能裝置對(duì)圍巖的保護(hù)，鉆孔周邊巖體所受損傷也降低，可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)預(yù)裂的同時(shí)又保護(hù)巷道頂板。

使用d48 mm的專用鉆頭施工鉆孔;切縫孔及炮孔應(yīng)該施工鉆進(jìn)至基本頂中，23107開(kāi)切眼頂煤厚度為8 m(不包括機(jī)頭過(guò)渡段45.6 m)；上覆直接頂為泥巖，平均厚度5.36 m；基本頂為中細(xì)粒砂巖，平均厚度4.49 m；按此計(jì)算，鉆孔深度為18 m. 切縫孔布置在巷幫與頂板夾角處，與鉛垂線夾角為15°，切縫孔間距為500 mm. 炮孔及切縫孔布置見(jiàn)圖1.

圖1 炮孔參數(shù)試驗(yàn)方案圖

3) 施工鉆孔總工程量。

根據(jù)試驗(yàn)工作面剩余走向長(zhǎng)度(從開(kāi)切眼開(kāi)始，直至工作面停采線位置處)約為2 780 m，若按照試驗(yàn)500 m巷道進(jìn)行計(jì)算，炮孔及切縫孔在試驗(yàn)工作面皮帶巷的布置形式見(jiàn)圖2.

圖2 試驗(yàn)工作面切頂卸壓鉆孔布置示意圖

總計(jì)施工鉆孔米數(shù)：(500÷0.5+1)×18=18 018 m

2.3 裝藥

炸藥直徑、聚能管徑與炮孔直徑的選擇。聚能管徑與炮孔直徑兩者必須相互適應(yīng)，設(shè)計(jì)選用d35 mm的乳化炸藥，聚能管內(nèi)徑為36.5 mm、外徑d42 mm，炮孔d48 mm.

裝藥時(shí)，在聚能管中放置礦用三級(jí)乳化炸藥，每個(gè)聚能炮孔在裝藥前，先在切縫內(nèi)從孔底聚能管開(kāi)始連續(xù)裝藥，并安設(shè)雷管和引線，然后將引線穿過(guò)第二根聚能管，并將第二根聚能管與第一根聚能管用專用連接件連接，然后在第二根管內(nèi)開(kāi)始連續(xù)裝藥并安設(shè)引線，重復(fù)上述方法，依次完成全部聚能管裝藥，每個(gè)聚能管設(shè)置一個(gè)雷管。根據(jù)已完成的現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，結(jié)合理論分析(巖石堅(jiān)固性系數(shù)、老頂跨落程度等)，基于現(xiàn)場(chǎng)已有材料,考慮既要保證切縫爆破效果和炮孔高利用率，又能確保爆破切面較光滑平整及切落頂板的完整性,最終確定炮眼孔深18 m，共安裝BTC-1500型聚能管10根，管長(zhǎng)1 500 mm,每根聚能管裝d35 mm×200 mm藥卷5卷，在日常施工過(guò)程中,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破效果及時(shí)調(diào)整裝藥量,孔口用黃土封孔，封孔長(zhǎng)度不低于1 500 mm.

2.4 爆 破

要求持相關(guān)證件的專業(yè)人員根據(jù)具體的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行爆破，嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)程》中井下爆破的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行。

3 深孔預(yù)裂爆破效果檢測(cè)

提前施工切頂卸壓爆破孔后，切斷了試驗(yàn)工作面皮帶巷上覆頂板，有效降低了工作面回采時(shí)對(duì)東側(cè)的+700 m水平8#煤南翼輔助運(yùn)輸大巷的動(dòng)壓影響，避免由于采動(dòng)來(lái)壓強(qiáng)度過(guò)大造成相鄰巷道頂板離層、破碎、出現(xiàn)裂隙冒落等現(xiàn)象，降低了巷道的維護(hù)工程量，保證了巷道的安全使用，具體爆破施工后出現(xiàn)的頂板垮落效果見(jiàn)圖3，圖4.

圖3 試驗(yàn)工作面煤柱為25 m(中-中)巷道頂板垮落效果圖

圖4 試驗(yàn)工作面煤柱更改為10 m(幫-幫)巷道頂板垮落效果圖

4 施工過(guò)程中存在的問(wèn)題

1) 試驗(yàn)工作面皮帶巷切頂卸壓鉆孔共計(jì)18 018 m，工程量大，施工質(zhì)量要求高，必須具備專業(yè)素質(zhì)的打鉆人員進(jìn)行該項(xiàng)工程，且因試驗(yàn)工作面皮帶巷布置運(yùn)煤設(shè)備，打鉆時(shí)受作業(yè)空間影響，打鉆工作比較困難，打鉆設(shè)備的布置及挪移也不便利。

2) 斜溝煤礦煤層賦存為走向近南北，傾向西的單斜構(gòu)造，工作面布置為東高西低，待試驗(yàn)工作面回采結(jié)束后，采空區(qū)積水將主要積聚在皮帶巷，若考慮將其與23105孤島工作面材料巷煤柱縮小至10 m(幫-幫)，待掘進(jìn)23105材料巷時(shí)探放試驗(yàn)工作面采空區(qū)積水可能會(huì)存在一定的水害威脅，屆時(shí)需提前考慮探放試驗(yàn)工作面采空區(qū)積水的方案。

3) 23101材料巷與東側(cè)的23103皮帶巷留設(shè)煤柱為12.5 m(幫-幫),根據(jù)斜溝煤礦23101工作面回采時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，該工作面埋藏深，回采時(shí)受23103工作面采空區(qū)動(dòng)壓影響強(qiáng)烈，使工作面材料巷端頭維護(hù)十分困難，原有的巷道支護(hù)破壞嚴(yán)重，為此將以往的超前支架更改為單體液壓支柱支護(hù)，支護(hù)難度增大，強(qiáng)度增加，對(duì)頂板的控制不利。

5 結(jié) 論

動(dòng)壓巷道壓力的主要來(lái)源是采空區(qū)內(nèi)靠近煤柱側(cè)頂板未完全垮落而形成懸頂，對(duì)煤柱產(chǎn)生側(cè)向壓應(yīng)力從而影響巷道穩(wěn)定，釋放動(dòng)壓巷道的壓力來(lái)源是解決極困難巷道支護(hù)的有效途徑。采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)卸壓的方法控制強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定，使強(qiáng)烈動(dòng)壓巷道的問(wèn)題得到徹底解決，對(duì)于降低斜溝煤礦巷道掘進(jìn)、維護(hù)成本，緩解工作面采掘緊張局面，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)降本增效具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。