煤峪口矿 81020综放工作面顶煤爆破弱化技术研究与应用

2021-12-17王志武

煤 2021年12期

王志武

(晋能控股煤业集团四老沟矿，山西大同 037000)

1 工程概况

同煤集团煤峪口矿81020工作面位于井下410盘区南部，工作面北部为81018工作面采空区、南接81022工作面(现掘进)、西接11号、12号层410盘区轨道巷、东隔矿界与忻州窑矿相邻；工作面开采11号、12号煤层，煤层厚度为7.4～8.9 m，平均厚度为8.1 m，平均倾角为2°，煤层硬度f为2.6，煤层顶底板岩层特征如图1所示。

图1 煤层顶底板岩层柱状

81020工作面长度为155.6 m，可回采长度为410 m，采用综合机械化放顶煤采煤方法，机采高度为2.9 m，放煤高度为5.2 m，循环进度为0.5 m，放煤采用一刀一放、单轮间隔顺序放煤法。81020工作面采用四巷布置，两回采巷均沿着11号、12号层底板掘进，工艺巷及顶回风巷沿11号、12号层顶板掘进，具体工作面平面位置如图2所示。由于煤层较为坚硬，顶板属于坚硬顶板，现为提高顶煤的回收率，拟采用深孔预裂爆破技术对顶煤进行弱化，特进行顶煤爆破弱化技术的研究与分析。

图2 工作面布置平面示意

2 顶煤爆破弱化机理分析

针对坚硬煤层综放工作面，放煤作业时顶煤由于硬度较大，易出现顶煤难以垮落，回收率较低的现象。为破坏顶煤完整性、提升顶煤回收率，采用爆破技术对顶煤进行弱化，炸药爆炸时产生的爆炸冲击波和爆生气体会联合作用在煤体中，根据相关理论研究可知[1-3]，当炸药在无限大且均质的煤体中爆破时，此时煤体中部将会形成以炸药为中心由远至近的破坏区域，根据各个区域破坏程度的不同可划分为粉碎区、裂隙区和弹性区，具体爆破后分区如图3所示。

图3 煤岩体在爆炸荷载下分区

粉碎区主要是爆炸冲击波在炮孔附近煤体作用下粉碎产生的区域，粉碎区的半径较小，其一般为药包直径的数倍。裂隙区主要是爆炸应力波压缩周边煤体，周边煤体在应力波作用下产生径向裂隙拉伸形成的区域，该区域范围一般为药包直径的十几倍。裂隙区以外的煤体，其在应力波状态和爆生气体的共同作用下形成的准静态应力场，不足以使得该区域的煤体产生破坏，煤体在应力作用下只能以煤体质点弹性振动的方式向外传播，该区域可称为弹性振动区。

顶煤在进行深孔爆破时，爆破作用会有效弱化顶煤，当爆炸柱状药包起爆后，煤岩体在爆炸应力波及爆生气体膨胀应力联合作用下，煤体会发生首次损伤破坏现象，当爆生气体传播至煤岩体后，其会在裂缝边界产生一定的压力加载，该压力加载会进一步引起煤岩体的二次损伤破坏。顶煤在一次损伤破坏阶段重点在于造新缝，此时顶煤爆破弱化没有自由面，因此在该阶段产生的裂缝及损伤带主要由应力波直接加载导致；煤体在二次损伤阶段，在该阶段煤体内裂隙不断扩展，当爆生气体楔入新生裂缝后，其会对裂缝两侧施加较高的压力，其能够导致裂隙继续向前扩展，具体顶煤爆弱化如图4所示。

图4 顶煤爆破弱化示意

3 爆破方案及效果

3.1 爆破方案

3.1.1 顶煤松动预裂爆破范围

81020工作面采用在工艺巷远离工作面煤壁打眼爆破松动法，超前工作面煤壁20 m以外预爆破，对顶煤起到预裂和破碎作用，待开采时又能利用采动引起的超前支撑压力二次破碎顶煤。

3.1.2 预裂爆破炮孔布置

因该工作面顶煤比较厚，在工艺巷分别垂直于巷道两帮按单排眼布置，孔间距为1.0 m，炮孔距巷道顶板1.2 m，施工范围通尺至停采线20 m。装药孔的长度确定：从工艺巷向两头打钻，顶回风巷留10 m煤柱，胶带巷留10 m煤柱。装药孔的封孔长度10 m。煤体预爆破孔的布置方式及主要技术特征：①施工钻具为KHYD75dIA-3KW矿用隔爆电动岩石钻，孔径63 mm；②根据煤层厚度，炮孔布置为在工艺巷分别垂直于巷道两帮按单排眼布置，孔水平间距为1.0 m，孔距巷道底板1.2 m，施工范围通尺至距停采线20 m；③煤体预爆破孔施工必须超前工作面煤壁20 m以上；④依据410盘区已采面的经验确定煤体爆破孔的参数见表1。

表1 煤体爆破孔参数

具体81020综放工作面顶煤深孔预裂爆破钻孔布置形式如图5所示。

图5 顶煤弱化爆破钻孔布置示意

3.1.3 装药、联炮、封孔、爆破

1) 装药：采用正向装药结构，使用Ⅲ级煤矿许用粉状乳化炸药，规格为D50 mm×500 mm，重量为1 kg。

2) 联炮：每孔使用单个瞬发雷管，孔与孔之间用串联方式联接。

3) 封孔：导爆索导爆，封泥使用水炮泥及粘土，封泥分两次进行，第一次先封至距孔口0.8 m处，第二次封土时先将雷管与导爆索捆好，塞入该空段内，再封泥，直到封满捣实，将外露雷管脚线短路。具体爆破钻孔正向装药结构如图6所示。

图6 爆破钻孔正向装药结构示意

3.1.4 爆破施工

1) 爆破超前工作面水平距离不得小于20 m。在开采初期，第一次实施煤体预爆破的放炮时间为开切眼初次放顶之后进行。

2) 根据众多研究结论和爆破工程经验[4-6]，确定一条巷道一次起爆个数为8个孔，当放炮位置距工艺巷口350 m时，改为一次起爆4个孔。

3.2 效果分析

为有效分析81020综放工作面顶煤采用爆破技术后的弱化效果，采用地震CT的方式分别对爆破弱化前后顶煤的致密性和完整程度进行探测分析，根据探测结果分别得出工作面顶煤在采用爆破弱化前后地震CT波形数据和频谱数据图如图7所示。

图7 顶煤爆破前后地震CT波形和频谱数据

分析图7(a)和7(b)可知，顶煤爆破前，波形在同相轴上的连续性好，且地震波信号的持续时间较长，达到350 ms，这即表明探测区域顶煤致密完整，地震波信号的衰弱速度较慢；从频谱上分析能够看出，顶煤未采取爆破弱化技术时，此时震波信号的主频高且呈现出一致的状态，平均约160 Hz，这能够进一步说明探测区域煤体的完整致密性。

分析图7(c)和7(d)可知，顶煤爆破后，地震波在顶煤同相轴的连续性出现较大幅度的降低，震波信号在顶煤中的持续时间也出现一定程度的下降，从频谱分析可知，震波信号的主频与深孔爆破前相比较为分散，爆破后主频主要在100～180 Hz之间，综合上述分析可知，煤体在经过深孔爆破后，测区范围内顶煤的完整性被破坏，煤体强度降低，爆破对顶煤产生了有效的弱化。

另外在81020工作面回采期间，通过现场观测、收集分析的方式对爆破前后的顶煤回收率进行对比分析，结果可知，顶煤未采用弱化报破技术前，其顶煤回收率仅能够达到61%，当顶煤采用弱化爆破技术后，顶煤回收率能够达到89%，顶煤回收率大幅提升。