孤岛工作面过坚硬陷落柱技术研究

2019-06-19张建丽

煤矿现代化 2019年4期

张建丽

（山西省长治经坊煤业有限公司，山西长治 047100）

0 引言

孤岛工作面回采时，受周围采空区动压影响，生产风险比较大，在经过一些特殊的地质构造时，回采难度会更大。孤岛工作面过陷落柱时，采煤机切割能力有限，特别是通过一些坚硬的陷落柱时，采煤机滚筒截齿的损耗更加严重，且截割效果不好，常常造成截齿损坏或者采煤机卡顿故障。山西长治市经坊煤矿3-边角05孤岛工作面走向长678m，倾斜长160m,煤层平均厚度为3.5m，倾角4°，工作面标高为710～734m，开采深度为230m，采煤机型号为MG500/1140-WD，基本支架采用ZF12000/22/35型。该煤层老顶厚度为5.70～7.30m的粗、中、细粒砂岩、粉砂岩；直接顶厚度为0.15～4.80m的泥岩，泥岩裂隙发育，砂泥质胶结，易冒落；直接底厚度为3.00～7.50m的泥岩，深灰色，疏松，易碎，易风化。在工作面切眼发育X-51陷落柱，陷落柱长轴30m，短轴26.8m，陷落柱为坚硬砂岩，将对工作面正常回采造成很大影响，所以必须采取一定的措施保证采煤机安全、高效通过陷落柱。

图1 3-边角05孤岛工作面断层及陷落柱位置示意图

1 过陷落柱方案

由于陷落柱所处位置为孤岛工作面面内，且靠近相邻运输顺槽，故不采用绕过的方式，一般采用控制爆破的方法将陷落柱岩体进行松动，方便采煤机截割陷落柱通过。控制爆破根据钻研深度可分为浅孔爆破和深孔爆破（含中深孔爆破），采用浅孔爆破对陷落柱进行爆破时，由于陷落柱硬度较硬，浅孔爆破存在自由面，所以爆破过程中岩体会沿最小抵抗线方向抛掷，造成岩体飞溅，同时容易在支架前方造成空顶，增加冒顶的风险。

采用深孔爆破时，爆破产生的冲击波会对陷落柱岩体进行松动，爆破后的陷落柱形成破碎岩块，采煤机可顺利切割通过。

1.1 深孔爆破方案

陷落柱的力学特性如图1所示，根据岩体力学特性，确定深孔爆破的炮眼参数。

表1 陷落柱力学特性参数表

1.1.1 炮眼布置

X51陷落柱位于孤岛工作面相邻巷道内，钻眼工作空间大，钻眼机具的位置不受限制，故本工程选用ZYJ-300/160式回转钻机，可实现打眼角度360°可调，根据陷落柱岩层性质及巷道的空间大小，结合本矿相关爆破经验，炮眼深度取28m，炮眼层间距为1.5m，水平间距为1.2m，底眼和顶眼分别距离底板和顶板间距为0.7m和2.3m，仰角为1.5°。炮眼布置及开孔示意见图2。

图2 炮眼布置及开孔示意图

1.1.2孔径

根据深孔预裂爆破相关理论，结合本矿之前控制爆破的相关经验，确定孔径为0.91m，药卷直径为0.6m，不耦合系数为1.52。

1.1.3装药量及起爆方式

根据鲍列斯夫公式，确定装药量为19.8kg/孔，由于装药量相对较大，一次起爆产生的冲击波对巷道围岩的稳定性不利，支架支护的难度增加，所以本次爆破采用分层爆破的方式，即将炮眼分为上下两层，一次装药完成，先进行下层炮眼爆破，下层炮眼爆破完成后随即进行下层炮眼爆破。

1.2 相似模拟计算与分析

为了验证以上选择的过陷落柱的方法及相关爆破参数是否合理，以经坊矿3-边角05孤岛工作面煤岩层及陷落柱的力学特性为背景，用ANSYS/LSDYNA数值分析软件，对上述爆破参数下一次起爆三个炮眼进行模拟，模拟结果见图3。

图3 数值模拟结果

由图3可看出，经过爆破后的陷落柱，岩体的完整性相对比较完好，但是岩体间已经形成大量的贯通裂缝，对岩体的力学性质已产生比较大的改变，岩体裂隙的重叠率相对比较低，爆破效果比较理想，保证了陷落柱岩体的稳定性，工作面支架阻力不会发生突变，方便管理顶板，同时，由于岩体内部裂隙的发育，使采煤机切割陷落柱的难度大大降低，方便采煤机通过陷落柱。

2 现场应用检验

2018年7月20日，3-边角05孤岛工作面推进过程揭露X51陷落柱，此时采煤机日进尺减少为2刀，对该陷落柱进行取样，测定其普氏系数，证明其为坚硬的砂岩，采煤机已经无法正常推进，必须采取爆破方法对陷落柱进行预裂。采取如图4所示的雷管连接方式，采用一次起爆3个炮眼的方式，按照上述爆破参数进行布置，起爆后，陷落柱的力学特性发生变化，采煤机可正常进行切割，日进尺提高到6刀，施工速度得到提升，且采煤机截齿未发生磨损严重的现象。历时15天，采煤机顺利通过陷落柱，在此过程液压支架未发生异常现象，顶板未发生明显来压现象，达到比较高的经济效益及社会效益。