聚能爆破切顶卸压技术在回采工作面的应用研究

2018-03-04许文静

山西冶金 2018年6期

许文静

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿，山西古交 030200）

1 概况

西山煤电镇城底矿位于山西古交市西北，井田东西走向6.6km，南北宽2～5km，井田面积17.8 km2，矿井设计生产能力190万t/a。该矿南二下组煤采区轨道下山、760水平东大巷已服务11年，受22602工作面回采影响，巷道多次受压。巷道变形量大，两帮变形量达2 m，底鼓达1.5 m。22602工作面正在回采，受22602工作面动压影响760南大巷靠近22602工作面段巷道变形严重，两帮挤回，底板鼓起。现正处于维修阶段，大巷采用单道运行，影响矿井正常生产秩序。因此，计划在22602工作面回采及末采期间，于顺槽和切眼采用深孔爆破技术对顶板进行切断，实现卸压，降低采动应力对主要运输大巷及采区集中巷道的影响，避免邻近巷道的变形。

2 聚能爆破切顶卸压原理

随着2号煤层采掘深度的增加，矿压显现明显，采用宽煤柱护巷，巷道处于压力集中区，不利于巷道的维护和稳定，而采用小煤柱又经常被应力集中压酥，巷道围岩位移变大[1]。采用聚能定向爆破对顶板进行切断、卸压，改善巷道所处的应力环境，使巷道处于应力卸载区，便于巷道的后期维护。聚能爆破卸压应力优化图如图1所示。

图1 聚能爆破卸压应力优化图

制定巷道应力集中卸压治理技术方案，按不同炸药量、不同位置爆破进行数值模拟，给出聚能定向爆破卸压的合理爆破参数。煤柱宽度留设过小，受二次采动影响时，巷道断面收缩过大，影响工作面安全开采。因此，合理煤柱宽度的确定二直是采矿工程研究的重点和难点。煤柱宽度受采深、采高、煤厚及煤岩力学参数等诸多因素的影响，同时还与基本顶断裂结构关系密切。根据基本顶不同断裂位置，沿空巷道上覆基本顶断裂结构如图2时，对煤柱巷道最为不利，而按照下页图3的断裂线位置断裂，则老顶岩块的压力得到释放。

图2 老顶断裂线在煤柱和巷道上部图

3 聚能爆破切顶卸压方案

对工作面运输巷道顶板进行聚能爆破卸压，能够改善工作面回采时的巷道应力环境。根据目前工作面回采进度，切顶卸压爆破试验位置选在工作面前方的二段运输道内，范围300 m。巷道防变形切顶卸压，其主要目的是通过对本工作面巷道上方顶板的切断，减小相邻工作面巷道围岩的应力值和应力影响范围[2]。按钻孔的顶板柱状，考虑到工作面回采时采高3.3 m左右，按岩石碎涨系数1.3倍计算，需上方顶板11 m高度垮落后才能够充满采空区，因此将上位岩层基本顶段全部作为聚能爆破切断范围比较合理[3]。炮孔切顶位置如图4所示。

图3 老顶断裂线在采空区上部位置图

图4 炮孔切顶剖面位置图

3.1 炮孔位置

煤层上方2 m直接顶10 m基本顶，只要将该范围的顶板岩体切断即可实现对煤柱的卸压。因此顶板炮孔孔深定为12 m（按10°向采空区方向偏斜，则垂直高度约11.8 m），炮孔口间距6 m，300 m巷道试验段共施工炮孔50个。炮孔可先用钻机打好，可在炮孔进人超前支护段时装药起爆，或者在炮孔孔底到达工作面煤壁处时装药起爆。

3.2 炮孔深度设计

炮孔深度与煤层顶板岩性及厚度、煤层厚度、工作面采高及顺槽断面尺寸有密切联系。炮孔深度是否合适将直接影响到爆破切顶效果、顶板垮落程度及施工工程量。如果断顶位置不合适，会导致应力拱脚落在采区准备巷道内，反而不利于护巷卸压。以22602工作面切眼为例，该工作面直接顶为泥灰岩，厚度1.85 m；基本顶为中细砂岩，厚度12.00 m。煤层平均厚度4.15 m，采煤工艺为综合机械化二次采全高。工作面切眼停采位置距南五下组煤准备巷道最近距离为145 m。经数值模拟及现场经验，顶板不易垮落，设计炮眼深度为35 m，仰角45°，方位角38°与切眼垂直。

3.3 三径匹配

炸药药卷直径、聚能管径与炮孔直径三者之间必须相互适应，才能保证最佳的爆破效果。选择标准:

1）聚能管直径大于药卷直径。为了使药卷能较为顺利地放人聚能管内，聚能管的直径必须大于药卷直径；但是聚能管直径不能无限制的大，必须保证药卷在聚能管中能被固定住。

2）炮孔直径大于聚能管直径。为了便于聚能管的安装，炮孔直径必须大于聚能管直径。为保证聚能管在炮孔中定向固定及爆破时聚能效果，根据理论研究和综合现场已有设备，选择外径Φ63 mm聚能管，与之相匹配的最佳炮孔直径为65 mm，钻头直径75 mm，保证药径与管径很好地紧密耦合，保证药卷较易放人聚能管中。

3.4 聚能爆破施工工艺

1）打眼。打眼采用CMS1-1200L钻机，1.0 m×Φ50 mm合金钻杆Φ75 mm合金钻头。钻孔间距8 m，孔深 35 m，仰角 45°，方位角 38°。

2）装药。切顶卸压范围共300 m，前150 m采用以往的装药方式，用Φ65 mm钻头施工，即先将孔底第二节药卷与导爆索固定，送人孔底，然后将其他药卷依次送人炮孔，每节PVC管炸药2 m；后150 m采用Φ75 mm钻头施工，使用聚能切缝炸药管，每节炸药长1 m，二节连接另节顺序装人炮孔。聚能炸药管装药量稍大些，每米装药量约3 kg，其金属槽能够起到射流作用，破坏岩石范围更广，产生的主裂缝方向更为集中。

3）封孔。深孔爆破二.次起爆药量大，封孔不好将直接导致炮孔口冲孔，造成漏斗状抛掷，甚至毁坏支护体，造成巷道围岩垮塌。因此需进行专业的封孔设计，并采用专门的封孔炮泥机制作炮泥，炮泥太软向孔内填装时容易卡孔，炮泥太硬会降低其与孔壁的黏结力，需在技术人员指导下进行操作。

4）爆破时间节点。切顶卸压的爆破时间节点很关键，起爆时间太早，巷道顶板预裂后长期暴露容易产生安全隐患，起爆时间太晚影响生产。炮孔的打钻施工、装药、爆破的时间节点，需根据工作面的生产进度，综合性协调，才能达到效果最好。以22602工作面为例，爆破地点选择在工作面超前支架范围内，该段有超前支架支护，利于顶板的支护安全。22602工作面日推进度为4 m，炮孔为每2 m二个，日安排爆破2个孔。

5）遇断层等复杂地质构造的处理方法。遇大断层、顶板破碎带时，若采用切顶卸压，巷道顶板易失稳。可根据实际情况，采用该段不放炮的方法通过地质构造带。

4 效果分析

22602工作面在2017年6月9日所有炮孔爆破完以后，运巷转载机5 m范围顶板垮落，其余部分顶板完好。22602工作面于2017年6月9日18点实施爆破工作，截止到2017年8月3日，工作面推进到14 m时，20—50号支架后尾梁采空区里切眼顶板锚网支护有垮落下沉现象，20—50号支架看到矸石，顶板已经初垮，确定22602工作面顶板初垮步距为14 m；随工作面推进，顶板不断冒落，采空区悬顶不断增加，工作面推进到20 m左右时起，顶板中不断传来压力炮声，表明顶板因拉应力超限而产生了断裂；当工作面推进到25 m时，采空区大面积冒落，形成冲击波，工作面直接顶初次垮落步距为25m，直接顶垮落后，老顶逐步悬露，随采空区面积增加，采场矿压显现更加明显；工作面平均推进到37 m时，支架阻力开始明显升高，后柱阻力明显高于前柱，煤壁开始出现局部片帮，从现场矿压观测情况判定，基本顶初次垮落步距为37 m；工作面推进39 m，整个工作面支架阻力明显降低，基本顶垮落基本完成。