基于囊袋封孔技术的钻孔间距优化研究

＊王超 殷志强

（安徽理工大学矿业工程学院 安徽 232001）

1.引言

近年来，基于“切顶短壁梁理论”的切顶成巷技术开始在国内多个矿区得到应用和推广。该技术利用定向聚能爆破，沿回采巷道采空区一侧定向预裂顶板，回采后，在采动压力的作用下，沿预裂裂隙自动切割形成巷帮，实现“成巷”。当顶板被切割后，长壁岩石梁就会成为一根短臂的岩石梁，顶板岩层的应力传递链被切断，顶板周期来压强度将大幅减弱。顶板岩层垮落后形成巷帮，隔断采空区，自动形成一条巷道并将用于下一工作面开采，最终实现一个回采工作面仅需掘进一条巷道。新巷道位于卸压区，避免了高应力作用区的影响，消除了井下动力灾害孕育的动力源。

合理的爆破装置和参数选择对顶板能否破碎起着决定性作用，大量学者在这方面进行了前人的试验研究。冯远照[1]针对煤层瓦斯治理工作对于佛洼8309工作面钻孔进行优化设计，得出“三花眼”布孔方式最优；杨仁树[2-3]研究了切缝药包结构参数对定向断裂爆破的作用，试验了不同炮孔直径、装药耦合系数以及不同介质下裂纹扩展规律，分析出裂缝的扩展以及动态应力强度因子与时间的关系，裂缝扩展规律与切缝药包结构的关系，从而确定最佳切缝药包结构；沈浩[4]改进了囊袋式“两堵一注”带压封孔工艺中的封孔材料，提出更换工艺材料的方法节约91%的成本。

通过现场不断应用与技术攻关，切顶卸压沿空留巷技术已经在全国一些矿区进行了推广应用，但同时该技术仍然存在很多问题需要解决，本文以定向聚能爆切顶留巷区域为研究对象，采用理论分析，现场试验相结合的方法，探索最佳的封孔囊袋，系统研究了不同孔间距对裂隙分布的影响规律，确定最优孔间距。

2.囊袋封孔技术

为实现快速高效封孔，拟选用滤积式封孔囊袋。囊袋的材料为高弹涤纶双面布，滤袋仅能通过水，向钻孔内注浆时，多余的水分可以从囊袋中流出，而水泥浆液则留在囊袋中，从而实现水、气体与浆料的分离，囊袋与钻孔壁面紧密接触，高浓度的水泥浆液在孔内凝固的同时，实现了钻孔的封堵。

常见的囊袋规格较多，主要有单囊、双囊两种结构，对应着一堵一注或多注、两堵一注的封孔工艺。为确定合适的封孔工艺，采用三种囊袋进行实验，分别为长度为1.5m单囊、0.7m单囊、0.6m双囊，如图1所示。

图1 同类型囊袋封孔结构示意图

为了寻找快速高效的封孔方法，对不同结构囊袋、不同的试验材料及不同的凝结时间进行井下试验，具体试验结果如表1所示。实验目的是对“囊袋一堵”“两堵一注”“一堵一注”三种工艺进行对比分析，得到最佳的封孔工艺或方法。

表1 井下封孔试验结果汇总表

测试囊袋为1.5m单囊、0.7m单囊、0.6m双囊，注浆时材料的水灰比为1:1，通过压力表示数严格控制注浆压力为2MPa，试验时材料凝固时间均为1h，最终试验结果除了1.5m单囊未冲孔，0.6m双囊袋、0.7m单囊袋试验均发生冲孔。

实验结果表明，1.5m单囊袋较为稳定，利用囊袋进行一堵的封孔工艺就可以满足爆破孔的封孔需要，因此，建议11503W工作面切顶爆破作业采用“囊袋一堵”的封孔工艺。

3.切顶爆破孔参数优化实验

(1)工程背景

翟镇煤矿11503W工作面井下标高为-405.2～-458.8m，地面标高+169.74～+188.66m，走向长度约为944m，倾向长度120m。11503W工作面地层走向77°～107°，倾向167°～197°，倾角8°～16°，平均12°。工作面整体为一单斜构造，地层整体呈现西南高东北低形态。

聚能定向爆破切缝是切顶成巷技术的核心，主要包括装药结构、孔间距、封孔等方面。目前矿井采用的爆破孔孔深为10.0m，钻孔直径为55mm，炮眼间距为0.5m±0.1m，炮眼角度为水平线向上（工作面煤壁侧）偏移75°～90°，聚能管装药密度为1.5kg/孔，每根聚能管长度不大于1.5m，采用1.5m囊袋进行封孔。装药结构为2+1+2+1+1+2，装药结构如图2所示。采用6节1.2m长、外径42mm、内径36.5mm的聚能管。炮眼顶部聚能管、中部第三个聚能管以及底端聚能管，每根聚能装填2块炸药带雷管，其余聚能管采用1块炸药带雷管，相邻炸药之间留有0.8m长空气柱，聚能管端部使用充填海绵或其他阻燃材料进行封堵，防止炸药滑托。

图2 聚能爆破装药量及装药结构示意图

(2)不同爆破钻孔间距布置优化

孔间距为0.5m时，孔间距为0.5m的爆破实验采用3个钻孔，孔间距为0.5m，具体位置如图3所示。其中1#、3#为爆破孔，采用囊袋封孔工艺，2#为预留观测孔，孔径均为Φ55mm。

图3 孔间距为0.5m爆破实验钻孔布置图

爆破后，爆破钻孔均未冲孔，封孔效果良好。对2#观测孔进行探测，获得孔内爆生裂隙形态，如图4所示。从3.1m处开始一直到孔底位置8.2m处，全程孔洞内部出现非常明显的爆生裂隙。钻孔轴向切开的形态明显。可见，对于0.5m间距的爆破孔而言，爆破时能够切缝的距离达到0.6m，能量过剩，考虑到经济性问题，增大孔间距进行实验。

图4 孔间距0.5m爆破实验2#钻孔原始裂隙形态图

孔间距为1m的第一次爆破实验采用2个爆破孔，具体位置如图5所示。其中1#和3#为爆破孔，均采用囊袋封孔工艺，2#为预留观测孔，所有钻孔孔径均为Φ55mm。

图5 孔间距为1.0m爆破实验钻孔布置图

在爆破后对2#观测孔的孔内裂隙形态进行了探测，如图6所示。当探头刚进入钻孔时，浓厚的炮烟遮挡了镜头，导致裂隙形态难以辨认，可见，爆破钻孔与2#观测孔已经连同，爆破孔内的炮眼沿两孔之间的爆生裂隙进入观测孔内。摄像头继续向孔内观测，发现3.4m开始到孔底均能够清晰可见的爆生裂隙，纵向裂纹，且岩石的破碎较严重。这就表明，爆破孔附近0.5m处的钻孔内已经形成了定向，爆生裂隙的总长度约为7m。

图6 孔间距1.0m爆破实验2#钻孔原始裂隙形态图

孔间距1.1m的爆破实验采用3个钻孔，具体位置如图7所示。其中1#和3#为爆破孔，采用囊袋封孔工艺，2#为预留观测孔，孔径均为Φ55mm。

图7 孔间距为1.1m爆破实验钻孔布置图

爆破后，孔前部出现细微裂纹，裂隙出现在孔口5.6m内及孔底1m的位置内，裂隙长度在4m左右，如图8所示。相比于1m孔间距而言，虽然此时的顶板也被切开，但是效果没有1m孔间距时好。

通过实验发现不同孔间距爆破后切缝长度如表2所示，不同孔距爆破后，孔距为1m时，裂隙最清晰，爆破效果最好，横向切缝长度足以连通两个爆破空且经济性最佳，因此选择1m的孔距进行爆破是最优选择。

表2 不同孔间距爆破实验结果

4.结论

（1）1.5m单囊袋在封孔材料灌注1h后最为稳定，在多次实验中并未发生冲孔现象，而0.7m单囊袋和0.6m双囊袋都发生过冲孔现象。

（2）孔间距为0.5m时孔内发现大量纵向裂纹，大部分区域破坏严重，经济性欠佳；孔间距为1m时孔内出现了明显的爆生裂隙，总长度约7m，孔底区域出现了岩石破碎的现象；孔间距为1.1m时孔前部出现网状裂纹，裂隙出现在距孔口5.6m内及孔底1m的位置。