综放工作面深孔聚能爆破卸压技术研究

焦云飞

（晋城蓝焰煤业股份有限公司 成庄矿，山西 晋城 048000）

0 引 言

成庄矿主采山西组3 号煤层，煤层平均厚度约6.0 m，工作面采用多巷布置，综采工作面采高大、工作面长、推进速度快，矿压显现强烈。复用巷道的维护一直是困扰矿井安全生产的难题，通过提前深孔预裂顶板，阻断采空区上覆岩层的矿山压力向煤柱方向传递，减小或消除复用巷道的有害变形，保证围岩的整体完整性，避免巷道围岩变形破坏后进行二次甚至多次巷修，降低了巷道的支护难度和支护成本，保障工作面安全高效生产，提出综采工作面深孔聚能爆破卸压技术[1-4]。

1 工作面概况

5334 工作面位于一水平五盘区，煤层为3 号煤层，走向长度共计1 270 m，倾斜长度221 m，平均煤厚6 m。该工作面位于五盘区大巷以北，5314 大采高工作面以西，5316 工作面以东。5314工作面已回采完毕，5316 工作面还未形成。工作面采用“两进一回”方式布置巷道，工作面巷道即53341 巷（断面5 m×3.2 m），53342 巷（断面5.0 m×3.2 m）、53343 巷 （断面 5.0 m×3.2 m） 及切眼（断面8.5 m×3.0 m），主要采用全锚支护，部分巷道采用锚网支护。53341 巷为主进风巷（运输巷）、53343 巷为辅助进风巷（皮带巷）、53342 巷为回风巷，5334 工作面巷道布置如图1 所示。

图1 5334 工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of 5334 working face

2 深孔聚能爆破卸压技术原理

深孔爆破预裂卸压的实质是通过在顶板内布置爆破孔，借助聚能爆破实现定向切缝，减小采空区侧悬顶长度，达到复用巷道卸压目的，如图2 所示。其中，定向预裂是卸压护巷的关键和基础。采用普通装药爆破工艺，爆破冲击波易向孔内四周扩散，压力作用分散，爆轰能量很大部分被消耗在破碎岩石上，裂隙产生没有特定规律，爆轰能量作用如图3（a） 所示。顶板深孔聚能爆破技术充分利用岩石“抗压不抗拉”的特性，提出双向聚能张拉爆破成型技术，聚能爆破作用如图3（b） 所示。现场实施过程中，爆轰能量按照预先设定的方向瞬间释放，形成强力气楔力并集中作用于设定方向，岩层受到的张拉力远大于其抗压强度，孔内贯通裂隙产生［5-7］，如图3 所示。

图2 爆破预裂卸压原理示意Fig.2 Pressure relief principle of blasting pre-splitting

图3 2 种爆破模式下顶板岩体裂隙发育趋势预测Fig.3 Prediction of crack development trend of roof rock mass under two blasting modes

3 钻孔参数设计

3.1 钻孔位置

钻孔位置S 即钻孔开孔处与巷道煤柱侧巷帮的距离，理论上钻孔位置S 越小越好，但由于顶板钻机需要作业空间和方便顶板钻机施工等客观因素，钻孔位置S 通常需要取一定数值。结合53343 巷顶板支护情况及对履带式钻机设备等情况的调研，确定爆破钻孔与煤柱帮距离S=700 mm，如图4 所示。

图4 钻孔位置示意Fig.4 Drilling position

3.2 钻孔倾角α 和β

钻孔倾角α 是钻孔与竖直方向的夹角，倾角β是指在巷道中线剖面图中，钻孔与水平方向的夹角。爆破钻孔倾角α 要考虑爆破后，预裂线上方基本顶悬露长度等影响因素，理论上倾角α 略偏向采空区效果最佳，不仅能够最大程度的缩短煤柱上方顶板悬臂梁长度，而且能够减少对煤柱上方顶板完整性的破坏，但53343 巷为皮带巷，钻机施工条件受限，因此倾角α 设计为0。倾角β 过小则需要增加爆破孔深度及炸药量，过大则给快速装药操作造成很大的困难，综合以上情况及以往施工经验，设计β=75°，如图5 所示。

图5 爆破钻孔倾角β 示意Fig.5 Angle β of blasting borehole

3.3 爆破高度

根据爆破预裂卸压技术原理，影响复用巷道稳定的主要因素为侧向支承压力的分布规律，侧向支承压力的形成是采空区基本顶将其自身重量及其承受的载荷向采空区周边转移的结果，下位基本顶的大部分载荷主要由采空区承担，而上位不易垮落的基本顶破断后继续以岩梁的形式将载荷传递至采空区周边，是影响侧向支承压力分布的重要影响因素。采空区上方顶板残留边界主要位于基本顶内，因此确定爆破高度为基本顶的上边界。

基本顶厚度计算可采用以下公式：

式中：mz 为基本顶厚度，m；h为采高，取6.3 m；Sa 为岩梁触矸处沉降值，一般取0.15 ～0.25，此次取值0.2；Ka 为岩梁触矸处冒落岩层碎涨系数，一般取1.3 ～1.5；泥岩取1.3。

代入公式计算，mz=20.33 m，因此爆破高度H0=20.33 m，炮孔深度L=H0/sinβ=20.33/sin（75°）=21.05 m。

4 深孔聚能爆破卸压效果评价

为验证顶板深孔聚能爆破效果，在53342 巷内布置多组表面位移测站，取其中一处巷道变形情况进行说明，顶底板及两帮移近量如图6 所示。随着工作面逐步推进，巷道围岩变形量均呈增大趋势。与未采取卸压措施巷道相比，卸压段巷道两帮移近量最大值由350 mm 降低为180 mm，顶底板移近量最大值由600 mm 降低为450 mm。通过现场监测表明，采取顶板深孔爆破卸压措施有效控制了复用巷道围岩有害变形，为矿井类似条件下复用巷道维护提供宝贵经验。

图6 爆破卸压前后巷道围岩变形曲线Fig.6 Deformation curve of surrounding rock before and after blasting pressure relief

5 结 语

通过在53343 巷煤柱侧提前进行顶板深孔聚能爆破施工，减小采空区侧悬顶长度，减弱上覆岩层作用于区段煤柱的强度，达到复用巷道卸压的目的。经现场监测表明，与未采取卸压措施巷道相比，53342 巷卸压段巷道两帮移近量最大值由350 mm 降低为180 mm，顶底板移近量最大值由600 mm 降低为450 mm，顶板深孔聚能爆破卸压有效控制了复用巷道变形，取得良好的经济效益。