寺河煤矿爆破卸压无煤柱沿空留巷技术研究

刘 桥

（晋能控股装备制造集团有限公司，山西 晋城 048000）

寺河煤矿开采3#煤层，采用大采高开采方式，采高6.07 m，日推进速度快，开采强度大，矿压显现强烈。近年来一直在尝试无煤柱开采工艺，受制于矿压强度和推进速度，在关键工艺上未取得突破[1-2]。以6306 大采高工作面无煤柱沿空留巷为工程背景，研究爆破卸压和留巷墙体构筑关键技术，少掘一条巷道，缓解采掘衔接紧张，提高资源采出率，延长矿井服务年限。

1 工程背景

寺河煤矿六盘区6306 工作面开采3#煤，煤层平均厚度为6.07 m，平均倾角3°。伪顶为0.4 m碳质泥岩，随采随落；直接顶为3.44 m 含粉砂泥岩；基本顶为7.93 m 粉砂岩和11.55 m 细粒砂岩。

工作面设计可采长度2094 m，倾向长度324 m。巷道采用“两进一回”三巷布置，北侧2 条顺槽为63063 巷、63062 巷，63063 巷为胶带巷、辅助进风巷，63062 巷为回风巷；南侧1 条顺槽为63061 巷，为主进风巷、设备列车巷。顺槽设计宽度5.5 m，高度4 m，沿煤层底板掘进，留顶煤厚度2.07 m。

6306工作面北侧为采空区，南侧为6307工作面，在63061 巷开展无煤柱沿空留巷，作为6307 工作面的回风巷使用。如图1。

图1 63061 巷与工作面位置示意图（m）

寺河煤矿大采高综采技术成熟，6306 工作面设计推进速度6～8 m/d，采用爆破卸压无煤柱沿空留巷技术，必须解决两个关键问题：

1）爆破速度。初步设计每米2 个钻孔，则每天至少完成20 个钻孔的爆破任务，只能在检修班完成，传统的装药方式和炮泥封孔方式效率低下，爆破进度将严重制约工作面推进速度。

2）墙体稳定性和构筑速度。采高6.07 m，工作面后方矿压显现强烈，必须保证墙体有足够的强度和承载稳定性，同时，按照墙体长度4 m 设计，每天至少完成2 个墙体的构筑工作。

2 爆破钻孔快速装药封孔技术

2.1 爆破钻孔参数

1）孔深。通过理论计算，采用深浅孔组合设计，深孔深度26.5 m，作用范围为关键层部位；浅孔深度13.5 m，作用范围为深孔封孔段未爆破范围。深浅孔间隔布置。

2）孔距。按应力波与爆生气体准静压共同作用确定炮孔间距。通过理论计算，确定深孔间距1 m，浅孔间距1 m。

3）孔径。不耦合系数K是指钻孔直径和炸药直径的比值，合理范围为1.30 ＜K＜1.80。采用的煤矿许用三级乳化炸药直径为35 mm，孔径直径D选择60 mm，不耦合系数1.71。

4）角度。与垂直方向夹角15°，偏向回采侧。

5）开孔位置。考虑钻机便于施工的因素，开孔位置在63061 巷回采侧，距离煤壁200 mm。

6）装药结构。根据爆破层位和对于封孔长度的要求，26.5 m深孔装药长度14 m，封孔长度12.5 m，装药量12 kg；13.5 m 浅孔装药长度6 m，封孔长度7.5 m，装药量6 kg。

深浅孔装药结构如图2。

图2 深浅爆破钻孔装药结构示意图

2.2 快速装药工艺

以往采用两种方式装药，一种是直接装药方式，将药卷直接放入孔内，采用木制捅杆捅入孔底。送药过程中可能出现药卷偏心堵塞、掉落，无法固定，所以必须一次性送入，作业人员持续工作，劳动强度大，同时可能会捣断炮线。按照26.5 m 孔深、14 m 装药长度，单孔装药约需要60 min。另一种是采用圆形聚能管装药，因圆形聚能管无法拆分，必须将炸药包装破坏后挤入注药枪，然后注入聚能管内，工序复杂，同时存在一定的安全隐患，圆聚能管也无法实现定向聚能爆破。按照26.5 m 孔深、14 m 装药长度，单孔装药约需要40 min。因此，计划设计一种可拆分的异形聚能管，将炸药放入后扣合，不需拆开炸药，异形结构为聚能槽，实现定向聚能爆破，在孔外制作成聚能药包后一次性送入孔内。

每组钻孔包括6 个深孔、6 个浅孔，每次起爆6 个深孔、5 个浅孔，最后一个浅孔仅封孔，用于保护下一组钻孔。每次需要完成12 个钻孔的封孔、11 个钻孔的装药。

设计异形PVC 爆破装药聚能管作为炸药载体，采用壳体+扣盖分体式结构，并设计有聚能槽，实现定向预裂。在管体上安装有异形倒刺，可预防炸药脱落。装药时，预先将炸药、导爆索、雷管、脚线等装入管体内，并接好电路，然后通过连接件连接所有管体。预装药完成后，通过绝缘装药捅头和可加长捅杆将连接在一起的管体一次性送入孔底，大幅提高了装药效率，降低了劳动强度，防止孔内滑脱，并改善了爆破效果。

具体操作方法：

1）搭建26 m 长平台，用于制作聚能药包，本班所需要的11 个聚能药包全部制作完成后，再进行集中装药；

2）提前将导爆索和连接件穿在导爆索上，深孔需要7 个连接件，浅孔需3 个，将炸药按照设计依次放置在聚能管内，空隙部分用水炮泥或者炮土填实塞紧，用聚能管扣盖扣严，连接件依次连接；

3）将倒刺安装在提前打好的孔上，调整好方向，用透明胶带将倒刺粘紧固定，将连接件部位进行粘紧加固，防止脱离，安装导向头；

4）尾部最后1 根聚能管，导爆索连接电雷管，雷管脚线连接电缆线，聚能药包制作完成，共制作6 个长药包，5 个短药包；

5）所有爆破钻孔先用装药捅杆和捅头测试，确认无误后装入聚能药包。安装时，将聚能药包小心移动到孔下方，导向头一侧朝上，人工逐段送入，直到全部进入孔内后，用装药捅杆和捅头将聚能药包送入孔底。

安装流程如图3。

图3 聚能药包安装流程图

2.3 囊袋灌浆快速封孔工艺

以往采用填塞炮泥孔封方式，将制作好的炮泥卷放入孔内，采用木制捅杆捅入封孔段，人工劳动强度大，有可能会捣断炮线。当封孔深度较大时，难以保证炮泥捅至设计深度，存在捣不实的现象，造成起爆时钻孔冲孔。尤其是钻孔内有流水时，流水浸泡炮泥导致炮泥软化，封孔效果更差。以往炮泥封孔冲孔率约5%。

采用无机爆破封孔材料、囊袋封孔装置和气动封孔装备，实现机械化快速封孔。囊袋封孔装置由双端透水布囊袋、注浆管、返浆管、爆破片组成；气动封孔装备包括1 台气动双液封孔泵和1 台气动连体搅拌桶。使用时，将囊袋封孔装置安装在封孔段，将爆破封孔材料制备成浆液注入封孔段，快速固化后即可起爆，实现了封孔作业机械化，大幅减轻了人工劳动强度。

1）无机爆破封孔材料

无机注浆爆破封孔材料，为双组分无机材料，由A、B 两种无机矿粉材料组成，加水搅拌制备成浆体，具备速凝早强、完全阻燃抗静电、无毒腐蚀性等特点。使用水灰比1.2:1，通过泵送灌注注入封孔段，混合前两种单浆流动性良好，混合后1～3 min 完全失去流动性，10～15 min 完全固化，30 min强度4 MPa，凝结时间和强度可调，浆液注入30 min 后达到设计硬度即可爆破，最高反应温度不超过40 ℃，使用安全。封孔质量远高于炮泥，可有效防止冲孔，确保爆破效果。

2）囊袋灌浆封孔装置

根据以往经验，深孔爆破个别钻孔会有不同程度的涌水，孔口封堵后，钻孔出水会在封孔段形成累积，影响封孔材料凝结，出水量越大影响越大，必须对出水进行封堵隔离。据此情况设计了封孔囊袋，经多次试验，“两堵一注”方式能解决问题。

双端封孔囊袋结构如图4。作用原理：设计内囊袋和外囊袋，采用透水布袋材质，连接1 根Φ16 mmPE 注浆管，注浆管上设计1 号、2 号、3 号爆破片。两个囊袋长度加上两个囊袋之间长度即为封孔长度。1 号爆破片设计压力0.5 MPa，2 号爆破片设计压力1 MPa，3 号爆破片设计压力1.5 MPa。从注浆管下口注入浆液时，注浆压力作用下1 号爆破片首先打开，浆液注入内囊袋，注入同时内囊袋向外渗水，以提高浆液凝固速度，孔口有水流出，内囊袋注满后浆液快速凝固，形成内端封堵，有效阻隔孔内淋水，防止淋水进入封孔段影响浆液凝固效果。然后2 号爆破片打开，外囊袋渗水、胀起、固化，实现内外封堵。最后3#爆破片打开，浆液灌入两个囊袋之间。使用时安装1 根Φ16 mmPE 返浆管，返浆管上口高度要超过3#爆破片位置。注浆管和返浆管下端都要预留伸出孔口一定长度，便于注浆工人连接操作。

图4 双端封孔囊袋结构图

按照Φ60 mm 孔径，制作两种规格的囊袋，一种封孔长度12.5 m，用于深孔封孔，一种封孔长度7.5 m，用于浅孔封孔。

3）封孔装备

根据爆破钻孔垂直灌浆封孔作业流量小、压力高的特点，设计了一套封孔装备，包括注浆设备和搅拌设备。

注浆设备采用2ZBQS25/6 型封孔泵，最大流量40 L/min，工作压力0～11 MPa 可调，采用双缸独立设计，两个吸排口能够同时吸浆、同步出浆，使浆液按照1:1 混合，流量均匀。

搅拌设备采用连体搅拌桶，设计两个单筒，单筒容量90 L，合计180 L，每个单筒内每次加料50 kg，加水60 kg，单次搅拌能够满足4～5 个爆破钻孔封孔用量。

4）封孔工艺

连体搅拌桶两个桶分别搅拌无机注浆爆破封孔材料A 料和B 料，水灰比1.2:1。搅拌均匀后，封孔泵两根吸浆管分别吸入两种浆液，加压后排出两种浆液，在孔口附近，使用三通混合器进行混合、注入孔内。当返浆管开始漏浆时，代表孔内已经注满，停止注浆，换下一个孔继续注浆。所有钻孔集中安装囊袋，集中制浆，集中封孔，可大幅提高效率，减少材料浪费。所有钻孔封孔结束等待30 min 后，达到设计强度4 MPa 即可起爆。

3 高强混凝土墙体快速构筑技术

3.1 墙体参数设计

1）墙体

沿空留巷宽度4000 mm，柔模混凝土墙体宽度1600 mm，高度4000 mm，墙体强度等级C40。

2）混凝土

采用自密实、快硬、早强、高强的矿用高性能混凝土。设计混凝土强度等级为C40。柔模浇筑加压接顶时没有石子配料，且墙体最上部受顶压破坏最大，必须保证顶部混凝土强度与主体柔模强度一致，因此洗管砂料混凝土配合比按照2:1（水泥:砂料）的比例进行混合浇筑，确保柔模墙体顶部受力。

3）对拉锚栓

锚栓规格：杆体为超强热处理左旋无纵肋螺纹钢筋，BHRB500，杆体直径22 mm，杆体长度1800 mm，杆体两端都设有螺纹，杆尾螺纹公称直径为 24 mm，采用滚压加工工艺成型，杆尾螺纹长度都为125 mm。锚栓托盘：柔模墙体上部两排锚栓采用300 mm×300 mm×16 mm 高强度可调心托板，承载能力不低于400 kN，托盘加垫片（用废旧皮带加工，规格350 mm×350 mm）；其他锚栓采用拱形高强度托盘配合球形垫和减阻尼龙垫圈使用，托盘尺寸不低于150 mm×150 mm×10 mm，拱高度不低于36 mm，托盘承载能力大于23 t。

锚栓布置：每排布置5 根锚栓，间排距750 mm×750 mm，全部垂直于墙面安设。预紧力矩：墙体浇筑成型3 d 后通过扭矩扳手给锚栓施加300 N·m 的预紧扭矩。

4）钢筋钢带

钢带形式：圆钢焊接双筋钢带，双筋对焊，双面焊接，长边双筋每100 mm 焊接一个点，焊长30 mm；短边双筋中间一个焊点，焊长20 mm；长边和短边之间的焊点大于30 mm。

钢筋钢带：采用Φ14 mm 圆钢焊接钢筋托梁，钢筋钢带宽度100 mm，横向钢筋钢带长度为4000 mm，竖向钢筋钢带长度为3500 mm，钢筋钢带限位孔间距为375 mm。

3.2 施工工艺

寺河煤矿柔模混凝土沿空留巷的主要施工环节：1）配制干混料；2）物料投运；3）切顶爆破；4）围护待浇筑空间和巷内临时加强支护；5）挂设柔性模板；6）浇筑墙体。施工工艺如图5。

图5 柔模混凝土沿空留巷施工工艺

3.3 混凝土设备配套

1）地面干料制备站

采用干混料制备站在地面进行沿空留巷干混料制备，全自动一键操作，智能液晶显示屏，设备电压等级为380 V，设备功率88 kW，理论生产能力50 m³/h。

2）井下混凝土制备输送站

采用柔模混凝土制备输送机组进行巷旁支护体施工，设备型号为KTRHZSJ-50，生产能力为50 m³/h，输送C50 混凝土时设备的理论输送距离可达1000 m，实际最大可靠输送距离为400 m，设备总功率220 kW，输送管路为DN125 型高压耐磨无缝钢管。

3）沿空留巷专用支架

沿空留巷专用挡矸支架和端头支架是为柔模混凝土沿空留巷开发的专用设备。

挡矸支架具备支护、挡矸、自移、纠偏、适应工作面左右两侧巷道留巷等功能，该支架与工作面设备不连接，在采空区独立自移。顶梁前端设有伸缩梁或翻转梁临时护顶机构，支架一侧设有可拆卸式挡矸板，可满足工作面左右两侧回采巷道沿空留巷挡矸要求。

4 实施效果

1）聚能药包可在施工巷道内一次性制作完毕，然后集中整体推送进入爆破钻孔。现场26.5 m 孔深，单孔制作、装药时间约12 min，传统装药时间40～50 min，仅为传统装药方式的30%。

2）通过采用无机爆破封孔材料，集中安装封孔装置、集中制浆封孔。现场26.5 m 孔深，单孔封孔时间仅4～5 min，传统炮泥封孔方式需要40～50 min，为传统炮泥封孔方式的10%；现场试验冲孔率＜0.2%，远小于炮泥封孔方式的5%；实现了封孔作业机械化，降低了劳动强度，大幅提高了爆破效率。

3）通过快速装药工艺和快速灌浆封孔工艺的实施，检修班可以完成3 次爆破任务，每次爆破长度6 m，共计18 m，完全可以满足工作面8 m/d 的推进速度。

4）每日回采进度8 m，柔膜充填袋设计宽度1.6 m、高度4 m、长度4 m，单个柔膜充填体积25.6 m3，每日需要完成2 个或3 个柔膜充填，最大充填方量76.8 m3。井下混凝土制备输送站实际充填能力45 m3/h，每班实际充填时间约2 h，完全可以满足要求。实测混凝土墙体强度达到38.6 MPa。

5）根据留巷变形监测结果，墙体整体并未出现压碎现象，多以剪切、片帮为主，说明混凝土强度满足要求。局部劈裂的墙体，有效支撑宽度为1300～1400 mm，满足支护和密闭要求。变形主要集中在留巷后方250 m 以内，两帮移近量约130 mm，顶板下沉量约80 mm，底鼓量约200 mm。工作面后方250 m 以后基本稳定，巷道不再变形，可满足下一工作面正常复用要求。