深孔预裂爆破技术在综放工作面中的应用
2021-03-13安新龙孙兴磊位书鑫
安新龙 孙兴磊 位书鑫
(郑宏恒泰(新密)煤业有限公司,河南 郑州 452376)
工作面上方若存在一定厚度的坚硬砂岩、砾岩或石灰岩,则该顶板称之为坚硬顶板[1]。坚硬顶板如果不采取措施,容易发生大面积悬顶的情况,一旦大面积垮落,将给工作面带来强烈的矿压显现,造成支架压死、冒顶和片帮等,给煤矿生产带来极大的安全隐患[2-3]。目前,解决坚硬顶板悬而不垮的措施有:定向切割顶板技术、定向水力压裂预裂和深孔预裂爆破等,其中深孔预裂爆破技术应用比较成熟[4-5]。
1 工程概况
恒泰煤矿13020 综放工作面位于13 采区下山西翼,为首采面,该工作面东部为13 采区下山,北部是任岗断层,西部是井田边界,南部是未开采区域。该工作面开采山西组二1 煤层,煤层平均厚度7.2 m,倾角18°~22°,走向长430 m,倾斜长150 m。煤层无直接顶,基本顶为中粒砂岩组成的坚硬底板,岩性致密坚硬、难冒落,坚硬顶板平均厚度36.1 m,岩石单向抗压强度为89 MPa。煤层为松散煤层,硬度系数f=0.3~0.5。工作面底板为砂质泥岩。
在13020 工作面上、下副巷由里向外各施工布置3 个探查孔,钻孔间距100 m,均垂直岩层倾向。设计布置钻孔探查煤层顶板情况,通过6 个钻孔柱状和岩芯对比,可知13020 切巷向外80 m 范围内煤层伪顶、直接顶大量缺失,基本顶砂岩(中粒砂岩)厚度26.5~38.3 m,岩性致密坚硬,预计难以冒落。
2 深孔预裂爆破放顶方案
结合上述情况,确定在工作面及上、下副巷钻场进行深孔预裂切顶。工作面支架安装前,在切眼内对坚硬顶板预裂爆破,在上下副巷采取深孔超前预裂爆破进行切顶处理。
2.1 工作面切巷深孔预裂钻孔布置
13020 工作面切巷全长布置炮孔,深孔预裂炮孔共计布置88 个,采用ZYJ-269/168 型架柱式液压回转钻,孔径65 mm。将工作面分三段,炮孔间距分别为:上部2.1 m,中部1.8 m,下部1.5 m。炮孔与水平方向的夹角β=55º。炮孔深度超出基本顶上边界0.1 m。钻孔布置如图1,开切眼预裂切缝剖面图如图2。
图1 钻孔布置示意图
图2 开切眼预裂切缝剖面图
2.2 工作面超前预裂钻孔布置
13020 工作面超前深孔预裂爆破采用巷道双向钻孔切断基本顶。1#号钻场位于上副巷,超前采煤工作面20 m;2#号钻场位于下副巷,超前采煤工作面20 m;3#号钻场位于下副巷,超前采煤工作面距离35 m。上、下副巷钻场超前预裂爆破炮眼布置图如图3。
图3 上、下副巷钻场超前预裂爆破炮眼布置图
3 效果检验
3.1 切巷爆破后的效果
在13020 工作面切巷安装矿用钻孔成像轨迹监测装置进行围岩结构观测,分析爆破预裂前后围岩变形与破坏特征。共布置3 个窥视钻孔,1 号窥视孔位于工作面上部,2 号窥视孔位于工作面中部,3号窥视孔位于工作面下部。
1 号窥视孔观测结果表明,围岩中存在各种裂隙和空洞,有些裂隙张开度很大,有些孔段岩体非常破碎,容易出现塌孔现象。窥视结果如表1 和图4。
表1 13020 切眼1 号窥视孔观测结果
图4 1 号窥视孔围岩结构观测图像
2 号窥视孔观测结果表明,围岩中存在各种裂隙和轻微空洞,有些裂隙张开度不大但有穿孔迹象。具体结果如表2 和图5。
表2 13020 切眼2 号窥视孔观测结果
图5 2 号窥视孔围岩结构观测图像
3 号窥视孔观测结果表明,围岩中存在裂隙和空洞,裂隙明显。窥视结果如表3 和图6。
表3 13020 切眼3 号窥视孔观测结果
图6 3 号窥视孔围岩结构观测图像
通过3 个窥视孔的观测,切巷围岩中存在明显裂隙和空洞。有些裂隙张开度很大,部分孔段岩体非常破碎,容易出现塌孔现象。有些钻孔内环形裂隙明显,有穿孔迹象,裂隙明显。总之,爆破效果符合预期。
3.2 基本顶初次来压情况
13020 综采工作面实施顶板预裂爆破及超前钻场深孔预裂爆破后,回采期间基本顶初次来压步距统计平均值为15 m,周期来压步距为10 m 左右,顶板能随工作面回采及时垮落,充填采空区。
为进一步改善顶板垮落效果,在工作面推采期间,将工作面进行调斜,尽量让工作面切巷深孔预裂方向及超前钻孔预裂方向斜交。工作面上部顶板随着工作面推采垮落较为及时,在初次来压之前,爆破孔内的PVC 管受钻孔裂隙错动影响下落至采空区。下副巷推采至20 m 左右时,基本顶初次来压。工作面初次来压表现为:出现有闷雷声,在第40 架液压支架位置尾部出现矸石,并呈大小不规则形状、块度不均,大的矸石可达10 m³左右,矿压监测在线监测数据压力有所增加。
3.3 基本顶周期来压期间顶板垮落情况
13020 工作面切巷向外,伪顶及直接顶逐步发育,厚度逐步增加,且基本顶中粒砂岩中部有砂质泥岩夹层。工作面初次来压结束后,基本顶垮落,工作面每推进15 m 左右时,工作面周期性来压。周期来压期间支架工作阻力增加,煤壁片帮架数增多。待工作面周期来压结束后,工作阻力恢复正常状态,煤壁不再片帮。
4 结语
13020 工作面坚硬顶板,通过切巷深孔预裂爆破、上下副巷超前预裂爆破、调斜工作面、煤层注水和加快推进速度等措施,工作面初次来压和周期来压步距始终处在可控范围,有效防止了工作面顶板事故的发生,实现了安全回采。