22051 巷頂板爆破切頂卸壓技術(shù)研究

乜盟宰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晟泰青洼煤業(yè)，山西 臨汾 043500）

為節(jié)約煤炭資源，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，必須減小煤柱尺寸[1]。

青洼煤業(yè)22032 巷采用沿空掘巷技術(shù)留設(shè)5 m小煤柱，但小煤柱受工作面回采壓力影響較大，鄰近工作面的側(cè)向支承壓力和現(xiàn)采工作面的超前壓力在煤柱上方疊加引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致留設(shè)的小煤柱被壓酥破壞，極易引發(fā)巷道圍巖大變形，巷道維護(hù)成本高[2-3]。因此，提出了針對(duì)綜采工作面沿空掘巷的頂板爆破切頂卸壓技術(shù)，將煤柱支承壓力釋放、轉(zhuǎn)移至其他區(qū)域，從而改善巷道應(yīng)力環(huán)境。

1 工程概況

青洼煤業(yè)2205 工作面開(kāi)采2 號(hào)煤，煤層中夾0～1 層夾矸，傾角為4.3°～5.4°，平均4.85°，硬度f(wàn)=2.7～3.2，煤層均厚4.2 m，穩(wěn)定可采。基本頂為泥巖，厚3.25 m；直接頂為粉砂巖，厚4.0 m；直接底為泥巖，厚1.5 m；基本底為粉砂巖，厚7.0 m。2205 工作面南部為2203 工作面，22032 巷采用沿空掘巷技術(shù)留設(shè)5 m 小煤柱。為切斷2205 工作面頂板側(cè)向支承壓力傳遞，為沿空掘巷創(chuàng)造條件，在22051巷進(jìn)行頂板爆破切頂卸壓，巷道布置如圖1。

圖1 巷道布置圖

2 爆破切頂卸壓技術(shù)研究

為保證沿空掘巷效果，減弱和轉(zhuǎn)移工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力對(duì)掘巷的影響，提前在22051 巷切頂卸壓爆破，切斷頂板應(yīng)力的傳遞。

2.1 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）鉆孔角度

鉆孔傾角α是指在巷道斷面圖中鉆孔與豎直方向的夾角，傾角β是指在巷道中線剖面圖中鉆孔與水平方向的夾角。傾角α略偏向采空區(qū)能夠縮短煤柱上方頂板懸臂梁長(zhǎng)度，減少對(duì)煤柱上方頂板破壞。傾角β過(guò)小需要增加爆破孔深度及炸藥量，過(guò)大則給快速裝藥操作造成很大的困難?？紤]鉆機(jī)施工條件等因素，設(shè)計(jì)α=10°、β=75°，鉆孔開(kāi)口位置在距煤柱幫0.5～1.0 m 處。

（2）鉆孔直徑和間距

所選炸藥直徑Ф45 mm，結(jié)合工作面頂板巖性、深孔爆破預(yù)裂經(jīng)驗(yàn)以及施工進(jìn)度等要求，設(shè)計(jì)鉆孔直徑D=75 mm。在施工鉆孔時(shí)，選用Ф75 mm 的鉆頭、Ф=63 mm 的鉆桿，鉆孔間距為2 m，可根據(jù)具體爆破效果作相應(yīng)調(diào)整。

（3）切頂高度

表1 2205 工作面頂板上覆巖層分布表

根據(jù)2205 工作面頂板堅(jiān)硬巖層分布，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析得出， C5 粉砂巖為主關(guān)鍵層，切頂高度需超過(guò)主關(guān)鍵層，切斷22051 巷上方與頂板主關(guān)鍵層聯(lián)系，才能起到卸壓作用。因巷道高度為2.7 m，頂板上有約1.5 m 厚的頂煤，因此爆破垂直切頂高度應(yīng)為h=1.5+4.0+3.25+2.5+4.0+0.13+2.7=18.08 m。結(jié)合鉆孔傾角β=75°，爆破鉆孔深度（斜長(zhǎng)）為H=18.08/sinβ=18.08/sin75°=18.72 m，鉆孔布置如圖2。

（3）裝藥密度與裝藥結(jié)構(gòu)

炸藥為礦用三級(jí)乳化炸藥，炸藥直徑 45 mm，長(zhǎng)L=500 mm，重量m=0.8 kg。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，不耦合系數(shù)K的合理范圍為1.30 ＜K＜1.80。22051巷頂板爆破預(yù)裂鉆孔直徑d=75 mm，礦用三級(jí)乳化炸藥直徑45 mm，因此不耦合系數(shù)K=75/45=1.67，符合要求。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，深孔爆破封孔長(zhǎng)度不低于孔深的1/3。因此設(shè)計(jì)裝藥長(zhǎng)度12 m，封孔長(zhǎng)度6.72 m。一般爆破工程中，泥巖裝藥集中度取0.75 kg/m，細(xì)粒砂巖裝藥集中度取1.3 kg/m，據(jù)此計(jì)算裝藥量為2.34×0.75+9.53×1.3=14.14 kg，共計(jì)使用18 根藥卷。爆破鉆孔內(nèi)采用不耦合方式間隔裝藥，采用雙雷管，雙導(dǎo)爆索引爆，每一根導(dǎo)爆索均采用瞬發(fā)電雷管起爆，2 個(gè)雷管采用并聯(lián)連接。

圖2 切頂鉆孔布置示意圖

2.2 爆破快速裝藥技術(shù)

（1）裝藥前準(zhǔn)備工作

為避免因塌孔引起裝藥安全風(fēng)險(xiǎn)，每次裝藥前必須對(duì)炮孔的狀況進(jìn)行確認(rèn)，設(shè)計(jì)了便于操作的探孔組合桿，如圖3。探桿由兩部分組成：探頭長(zhǎng)度400 mm，木制，頂端為陀螺型，以方便操作；探桿為DN15 鋼管加工，每節(jié)1 m，用接箍連接。

圖3 探桿示意圖

（2）裝藥方式

設(shè)計(jì)了PVC 材質(zhì)帶有雙向聚能穴的爆破管。該爆破管由主體和滑槽蓋板組成，斷面為橢圓形。裝藥時(shí)將乳化炸藥兩端剪開(kāi)，連炸藥包裝皮一起按壓進(jìn)入聚能管，扣上蓋板完成裝藥。該方式省時(shí)省力，安全系數(shù)和裝藥效率大大調(diào)高。

（3）安裝方式

聚能管之間采用連接件相連，快捷方便，接口位置安裝“十字”型倒刺，防止聚能管在安裝過(guò)程中下墜。以上措施奠定了快速裝藥的基礎(chǔ)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工組織

采用“三八”制作業(yè)，每班8 h，每班3 人。采用快速裝藥技術(shù)后，炸藥可一次性裝藥完畢，然后整體推送進(jìn)爆破孔。單孔裝藥時(shí)間約6 min，較傳統(tǒng)炸藥安裝方式時(shí)間縮短了70%以上。

3.2 煤柱應(yīng)力觀測(cè)

（1）測(cè)點(diǎn)布置

為掌握煤柱內(nèi)部應(yīng)力變化，對(duì)小煤柱進(jìn)行鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)，共布置7 個(gè)測(cè)點(diǎn)，7 個(gè)測(cè)點(diǎn)深度分別為1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m，測(cè)點(diǎn)間距為5 m。

圖4 煤柱應(yīng)力變化圖

（2）煤柱應(yīng)力觀測(cè)分析由圖4 可知，沿工作面傾向，小煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力變化隨測(cè)點(diǎn)距煤柱幫距離的變化而變化，峰值基本出現(xiàn)在2.5 m 范圍處，5 m 煤柱應(yīng)力分布較均勻，承載力較強(qiáng)[4]。

3.3 巷道變形觀測(cè)

圖5 22032 巷位移變化圖

在沿空掘巷22032 巷布置表面位移測(cè)站，由圖5 可知，22032 巷開(kāi)挖后約20 d 左右圍巖變形趨于穩(wěn)定，最終22032 巷頂板沉降值不超過(guò)100 mm，底鼓量不超過(guò)150 mm，兩幫移近量不超過(guò)200mm，巷道變形量較小，滿足巷道正常使用要求。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)青洼煤業(yè)工作面頂板條件進(jìn)行了爆破切頂卸壓的鉆孔設(shè)計(jì)、切頂高度設(shè)計(jì)、裝藥設(shè)計(jì)等，并提出了爆破快速裝藥技術(shù)。該技術(shù)省時(shí)省力，安全系數(shù)和裝藥效率大大提高。

（2）采用爆破切頂卸壓技術(shù)有效轉(zhuǎn)移和釋放了煤柱支承壓力，小煤柱應(yīng)力分布較均勻，承載力較強(qiáng)。沿空掘巷22032 巷頂板沉降值小于100 mm。底鼓量不超150 mm，兩幫移近量不超過(guò)200 mm，巷道變形量較小，爆破切頂卸壓效果顯著，確保了沿空掘巷的成功。