工作面懸頂定向爆破預(yù)裂處理技術(shù)研究

王軍平

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開(kāi)元礦業(yè)由于頂板較為堅(jiān)硬，工作面回采過(guò)后兩順槽后方形成懸頂，不易垮落，懸頂區(qū)產(chǎn)生瓦斯積聚，在懸頂突然垮落時(shí)，大量瓦斯涌出進(jìn)入工作面和回采巷道，造成瓦斯超限，風(fēng)險(xiǎn)突出[1-3]。以9714 工作面為研究對(duì)象，研究懸頂治理技術(shù)。

1 工程背景

9714 工作面開(kāi)采9#煤層，走向長(zhǎng)度1200 m，傾斜長(zhǎng)度220 m，煤層平均厚度5.1 m，煤層平均傾角4°，采用綜合機(jī)械化一次采全高后退式采煤法，開(kāi)采高度5.1 m。

工作面采用U 型通風(fēng)方式，布置2 條順槽，97141 巷為進(jìn)風(fēng)巷，97142 巷為回風(fēng)巷，如圖1。順槽設(shè)計(jì)寬度均為5 m，高度均為3.7 m，沿煤層頂板掘進(jìn)。

圖1 9714 工作面巷道布置示意圖（m）

煤層頂板為8.4 m 厚的細(xì)粒砂巖，灰白色，中厚層狀，致密完整，平均抗壓強(qiáng)度為52.5 MPa，屬于較堅(jiān)硬巖石，穩(wěn)定頂板。細(xì)粒砂巖層往上為泥巖和砂質(zhì)泥巖互層，平均抗壓強(qiáng)度為18.2 MPa，屬于軟弱巖石，厚度27.6 m。

工作面回采后，后方中部區(qū)域頂板可以順利垮落，但97141 和97142 順槽上方頂板處于三角支撐區(qū)，無(wú)法順利垮落，形成懸頂區(qū)，懸頂面積達(dá)到20～25 m2，如圖2。開(kāi)元礦業(yè)為突出礦井，9#煤為高瓦斯煤層，根據(jù)集團(tuán)公司規(guī)定，懸頂面積不得超過(guò)10 m2，目前存在嚴(yán)重的安全隱患。計(jì)劃采取頂板超前爆破預(yù)裂方式解決懸頂問(wèn)題。

圖2 兩端頭懸頂區(qū)域示意圖

2 頂板定向爆破預(yù)裂關(guān)鍵參數(shù)確定

頂板爆破預(yù)裂是通過(guò)合理的爆破工藝，沿順槽走向方向，在頂板上形成一條連續(xù)裂縫，切斷順槽上方和煤柱上方頂板聯(lián)系，使順槽上方頂板能夠順利垮落，避免懸頂形成。原理如圖3。

圖3 頂板爆破預(yù)裂切縫示意圖

2.1 切頂高度

頂板結(jié)構(gòu)分析表明，頂板不易垮落的主要原因是上方8.4 m 厚的細(xì)粒砂巖層結(jié)構(gòu)完整、強(qiáng)度大，而細(xì)粒砂巖層上方為軟弱巖層，可以順利垮落，且垮落后能夠完全填滿(mǎn)采空區(qū)。因此切頂高度須超過(guò)細(xì)粒砂巖層，初步設(shè)計(jì)為8.9 m。

為保障切頂效果，鉆孔方向與巷道傾向垂直，同時(shí)為便于鉆機(jī)施工，鉆孔與水平方向呈80°夾角，向巷道走向方向背向切眼一側(cè)傾斜。

則孔深h=8.9/（sin80°）=9 m。

李一峰、徐霽，兩位今年高考中涌現(xiàn)出的“另類(lèi)”考生，最近成了教育圈熱議的話(huà)題人物。對(duì)于他們的“另類(lèi)”選擇，質(zhì)疑、不解者居多，贊賞、支持者亦有之。“棄清華而選川大”的選擇遭到多數(shù)人的不解乃至嘲諷，原因恐無(wú)須贅述。以26歲的“高齡”重新參加高考，恐怕也不是任誰(shuí)都有這樣的勇氣。有趣的是，兩位考生有著相同的人生志向：學(xué)醫(yī)，即便為之反復(fù)折騰，“不為良相便為良醫(yī)”的人生理想?yún)s始終不曾泯滅，并最終得償夙愿。對(duì)于這樣的人生選擇，贊賞者主要是從堅(jiān)守“初心”的角度為其揄?yè)P(yáng)，這當(dāng)然沒(méi)有錯(cuò)，但在筆者看來(lái)，兩位考生做了一次“不流俗”的人生選擇，對(duì)于這樣的做法，批評(píng)大可不必，贊揚(yáng)也應(yīng)適度。

2.2 開(kāi)孔位置

開(kāi)孔位置應(yīng)盡量靠近煤柱側(cè)，減小側(cè)向懸頂長(zhǎng)度，同時(shí)考慮鉆機(jī)方便施工，鉆孔開(kāi)孔位置距離煤柱側(cè)s=300 mm。

2.3 鉆孔間距

按應(yīng)力波與爆生氣體準(zhǔn)靜壓共同作用確定炮孔間距。

（1）按應(yīng)力波作用

式中：a1為鉆孔間距，m；σt為巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa；p2為鉆孔壁初始?jí)毫Ψ逯?，MPa；ρ為炸藥密度，1250 kg/m3；D為爆速，4000 m/s；n為壓力增大倍數(shù)；b為側(cè)應(yīng)力系數(shù)；α為應(yīng)力波峰值在巖體內(nèi)的衰減指數(shù)。

代入?yún)?shù)計(jì)算，a1=1.6 m。

（2）按爆生氣體準(zhǔn)靜壓作用

封閉在鉆孔內(nèi)的爆生氣體以準(zhǔn)靜壓的形式作用于炮孔壁，其應(yīng)力狀態(tài)類(lèi)似于均勻內(nèi)壓的厚壁筒。根據(jù)彈性力學(xué)的厚壁圓筒理論及巖石中的抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則：

式中：p0為作用于炮孔壁的準(zhǔn)靜態(tài)壓力。

帶入數(shù)據(jù)得：a2=0.4 m。

因此，按照應(yīng)力波與爆生氣體準(zhǔn)靜壓共同作用原理，鉆孔間距應(yīng)為a=a1+a2=1.6+0.4=2 m。

2.4 鉆孔直徑

不耦合系數(shù)K是指鉆孔直徑和炸藥直徑的比值，合理范圍為1.30 ＜K＜1.80。

本次采用的煤礦需用三級(jí)乳化炸藥直徑為35 mm，孔徑選擇55 mm，不耦合系數(shù)1.57。

2.5 封孔長(zhǎng)度

按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，爆破鉆孔封孔長(zhǎng)度不得小于孔深的1/3。因此，設(shè)計(jì)封孔長(zhǎng)度為3 m，孔內(nèi)6 m 為裝藥段。

2.6 裝藥量

線(xiàn)裝藥密度ρ是指每米鉆孔裝藥質(zhì)量，合理范圍為0.8～1.5 kg/m。

本次采用的煤礦許用三級(jí)乳化炸藥規(guī)格為300 g/卷，300 mm/根，采用連續(xù)裝藥方式，每個(gè)鉆孔裝5.4 kg 炸藥，裝藥長(zhǎng)度6 m，線(xiàn)裝藥密度0.9 kg/m。

3 裝藥結(jié)構(gòu)及爆破工藝

3.1 裝藥封孔結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)定向切縫，提高頂板爆破預(yù)裂效果，采用D 型聚能管裝藥，最大外徑48 mm。

裝藥長(zhǎng)度6 m，單節(jié)聚能管長(zhǎng)度2 m，采用3節(jié)聚能管，將乳化炸藥裝入聚能管內(nèi)，每節(jié)聚能管裝6 卷炸藥，炸藥之間間隙用炮泥塞實(shí)。聚能管間采用專(zhuān)用連接件連接。單孔共18 卷炸藥，5.4 kg。

導(dǎo)爆索長(zhǎng)度6 m，與裝藥段重合，上端插入最上部一卷炸藥內(nèi)，下端捆綁兩發(fā)雷管。雷管腳線(xiàn)較為脆弱，為避免填塞炮泥封孔時(shí)腳線(xiàn)破壞，采用1.5 mm2專(zhuān)用雙股炮線(xiàn)連接雷管腳線(xiàn)，并將炮線(xiàn)引出孔口。兩發(fā)雷管各采用一趟炮線(xiàn)。

孔口3 m 長(zhǎng)度采用炮泥封孔。裝藥封孔結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 孔內(nèi)裝藥封孔結(jié)構(gòu)圖（m）

3.2 封孔要求

封孔可以避免沖孔，延長(zhǎng)爆生氣體在炮孔內(nèi)的作用時(shí)間，提高爆炸能量的利用率，同時(shí)炮孔內(nèi)的高溫條件得以維持更長(zhǎng)時(shí)間，提高炸藥的化學(xué)反應(yīng)完全程度，減少有害氣體生成量。

本次封孔采用炮泥。炮泥采用黏土、沙和水混合而成，黏土、沙和水的配合比=75:9:16。制作好的炮泥應(yīng)表面光滑、無(wú)斷裂，放置時(shí)間不超過(guò)1h。采用木質(zhì)炮棍緩緩將炮泥送入，防止搗壞炮線(xiàn)和雷管。封孔段必須填滿(mǎn)塞實(shí)，防止沖孔。

3.3 爆破鉆孔布置

鉆孔間距2 m，每5 個(gè)鉆孔設(shè)計(jì)為一組，每次起爆一組鉆孔，爆破巷道長(zhǎng)度10 m。如圖5 所示。

圖5 爆破鉆孔布置示意圖（m）

單個(gè)鉆孔需要5.4 kg 炸藥、6 m 導(dǎo)爆索、2 發(fā)電雷管，每組5 個(gè)鉆孔共需要27 kg 炸藥、30 m 導(dǎo)爆索、10 發(fā)雷管。

鉆孔參數(shù)：間距2 m，孔深9 m，裝藥長(zhǎng)度6 m，封孔長(zhǎng)度3 m，孔徑55 mm，開(kāi)孔距煤柱幫300 mm，鉆孔方向與巷道傾向垂直，與水平方向呈80°夾角，向巷道走向方向背向切眼一側(cè)傾斜。

3.4 起爆工藝

導(dǎo)爆索采用電雷管正向起爆，每個(gè)炮孔安裝2發(fā)同段位毫秒延期電雷管，電雷管的聚能穴應(yīng)朝向?qū)П鞯膫鞅较颉ｋ娎坠苎b入最下一根聚能管距離底部200 mm 位置，導(dǎo)爆索壓入聚能管藥包內(nèi)后扣好聚能管蓋板。所有鉆孔聚能管聚能穴沿巷道走向方向布置。

起爆網(wǎng)絡(luò)為：采用串并聯(lián)接線(xiàn)方式，孔內(nèi)并聯(lián)，孔間串聯(lián)。

3.5 兩順槽起爆順序

每天97141 和97142 巷均需要起爆一組鉆孔，在一個(gè)班內(nèi)完成。每個(gè)班將火工品集中布置在97141 巷內(nèi)，先在97141 巷進(jìn)行裝藥起爆作業(yè)，人員撤離至97141 上風(fēng)口150 m 以外。爆破結(jié)束后等97142 回風(fēng)巷內(nèi)CO 濃度降低至安全范圍后，將剩余火工品運(yùn)輸至97142 巷進(jìn)行裝藥起爆作業(yè)，人員仍撤離至97141 進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)。

4 實(shí)施過(guò)程及效果考察

4.1 實(shí)施過(guò)程

9714 工作面采用“三八制”作業(yè)，兩班采煤，一班檢修。

在97141 和97142 順槽各布置1 臺(tái)定向鉆機(jī)，97141 巷為進(jìn)風(fēng)巷，除了爆破撤人階段，三個(gè)班均可施工鉆孔，平均每天施工40 個(gè)鉆孔，97142 巷為回風(fēng)巷，受瓦斯影響采煤班斷電，只能在檢修班施工鉆孔，平均每天施工15 個(gè)鉆孔。鉆孔施工速度較快，可以滿(mǎn)足爆破需要。

利用檢修班在97141 和97142 順槽實(shí)施爆破切頂作業(yè)。按照“通孔→制作聚能藥包→裝藥→封孔→撤人警戒→起爆→檢查”作業(yè)流程，每班在兩條順槽各起爆一組鉆孔，單組鉆孔爆破用時(shí)約3 h，爆破長(zhǎng)度10 m。工作面推進(jìn)速度約6 m/d，爆破進(jìn)度完全可以滿(mǎn)足工作面推進(jìn)需求。爆破作業(yè)超前工作面距離無(wú)要求，因此可以連續(xù)爆破。

4.2 切縫效果

爆破后對(duì)相鄰鉆孔進(jìn)行鉆孔窺視，考察裂縫形成效果，窺視結(jié)果如圖6。窺視結(jié)果表明，鉆孔爆破段形成了良好的切縫，切縫基本沿著一個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)了定向預(yù)裂，同時(shí)說(shuō)明鉆孔間距設(shè)計(jì)較為合理。鉆孔間距過(guò)密會(huì)導(dǎo)致裂縫過(guò)大或者孔內(nèi)破碎，鉆孔間距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致難以形成有效裂縫。

圖6 孔內(nèi)定向切縫效果

為考察懸頂治理效果，每天對(duì)兩順槽后方最大懸頂面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。經(jīng)過(guò)連續(xù)4 個(gè)月的統(tǒng)計(jì)分析，97141 巷后方懸頂面積1.2～3.2 m2，平均2.5 m2，97142 巷后方懸頂面積0.8～3.6 m2，平均2.8 m2，懸頂面積較爆破前減小了75%左右。集團(tuán)公司要求懸頂面積不得超過(guò)10 m2，現(xiàn)場(chǎng)未出現(xiàn)懸頂面積超過(guò)4 m2的現(xiàn)象，滿(mǎn)足了安全使用要求。

5 結(jié)論

（1）采取定向爆破預(yù)裂方式，解決9714 工作面回采后兩順槽上方懸頂問(wèn)題，設(shè)計(jì)爆破鉆孔孔深9 m，裝藥長(zhǎng)度6 m，封孔長(zhǎng)度3 m，采用連續(xù)不耦合裝藥方式，線(xiàn)裝藥密度0.9 kg/m，不耦合系數(shù)1.57。

（2）效果考察表明，每班爆破巷道長(zhǎng)度10 m，可以滿(mǎn)足工作面6 m/d 推進(jìn)速度要求，爆破后頂板形成良好的定向裂縫，爆破鉆孔間距設(shè)計(jì)合理，回采過(guò)后最大懸頂面積不超過(guò)4 m2，滿(mǎn)足了懸頂面積不得超過(guò)10 m2的要求。