官地礦22611工作面停采線深孔爆破斷頂卸壓技術(shù)研究及應(yīng)用

任海平

(西山煤電集團(tuán)公司官地礦生產(chǎn)科，山西省太原市，030053)

停采線的合理確定一直是采煤行業(yè)需要深入研究的難題，其合理性關(guān)系到礦井生產(chǎn)的安全與經(jīng)濟(jì)。從安全角度考慮，停采線到大巷之間煤柱留設(shè)寬度越大，大巷受到開采活動(dòng)的擾動(dòng)越小，對于大巷的維護(hù)越有利，從而能夠保證開采活動(dòng)的安全；從資源回收率角度出發(fā)，大巷保護(hù)煤柱寬度留設(shè)越小，煤炭資源浪費(fèi)就越少，資源回收率相應(yīng)越高，但不利于安全。針對在保證安全開采的前提下，最大限度回收煤炭資源，同時(shí)減少資源浪費(fèi)的難題，可考慮采用深孔爆破斷頂卸壓的方法，既加強(qiáng)了大巷穩(wěn)定性，又提高了回采上限。

對于停采線位置確定問題，科研院校、煤礦現(xiàn)場科技人員等對此都有不同研究，得出很多有指導(dǎo)價(jià)值的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算公式。但不同礦井的煤層頂?shù)装鍘r性、厚度等不同，巷道布置及支護(hù)形式也各有差異，簡單復(fù)制沿用其他礦井經(jīng)驗(yàn)做法缺乏科學(xué)性，與安全生產(chǎn)理念相悖。即使同一水平煤層的不同工作面，由于巖層局部構(gòu)造、節(jié)理裂隙差異以及巷道支護(hù)形式、工作面開采順序、回采工藝、支架回撤方式等不同，大巷保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)也不完全相同。官地礦22611工作面開采時(shí)，工作面兩邊平巷礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道變形量大，可以預(yù)測若該工作面停采線位置留設(shè)不合理，不采取斷頂卸壓手段，將對回撤通道的維護(hù)造成嚴(yán)重困難。因此，有必要對22611工作面停采線位置進(jìn)行斷頂卸壓，提高回采上限。

1 工作面概況

1.1 工作面基本情況

22611工作面開采2號煤層，位于中六采區(qū)北配巷西北部。22611工作面煤層開采厚度2.4～3.2 m，埋深590～767 m，22611綜采工作面切眼傾斜長度224 m，煤層傾角2°～16°，頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 22611工作面頂?shù)装迩闆r表

1.2 工作面支護(hù)情況

由于22611工作面埋深較大，屬于深部開采范疇，預(yù)計(jì)支架回撤時(shí)頂板壓力較大，為了保護(hù)回撤通道，建議加強(qiáng)支護(hù)。切眼擴(kuò)循環(huán)段采用全錨索+錨網(wǎng)支護(hù)，如圖1和圖2所示。第一、第二排錨桿錨索混合支護(hù)，第三排全錨索支護(hù)，第四排全錨桿支護(hù)(第一排錨索長度為4200 mm，第二排、第三排錨索長度6200 mm)。錨索采用?21.6 mm×4200 mm/6200 mm鋼絞線錨索，錨桿采用?22 mm×2400 mm螺紋鋼錨桿，網(wǎng)片采用雙層菱形網(wǎng)。擴(kuò)循環(huán)段支架穿插11#礦用工字鋼梁進(jìn)行支護(hù)，機(jī)頭機(jī)尾及頂板破碎段上雙梁，梁頭下加打直徑不小于200 mm的紅松圓木和單體(圓木緊貼煤幫、單體距圓木400 mm)。所有抬棚用11#礦用工字鋼，兩端各用2根錨索配合自制鋼板固定。

圖1 停采線支護(hù)參數(shù)平面圖

圖2 停采線支護(hù)參數(shù)截面圖

2 研究內(nèi)容

2.1 研究目標(biāo)

本文研究在工作面的末采收尾后停采線處，應(yīng)用深孔爆破技術(shù)對頂板進(jìn)行切斷，實(shí)現(xiàn)卸壓，降低采動(dòng)應(yīng)力對采區(qū)集中巷道的影響，避免采區(qū)集中巷道產(chǎn)生大變形。在停采線處進(jìn)行切頂卸壓工作，沿頂板向工作面前上方斷頂切縫，保護(hù)中六區(qū)采區(qū)集中巷道。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面：工作面超前支承壓力卸壓方法和周期來壓對回撤通道穩(wěn)定性影響特征。超前支承壓力卸壓后，使采區(qū)巷道處于超前支承壓力影響區(qū)之外，能夠保證巷道免受破壞，但從減小大巷保護(hù)煤柱尺寸以提高資源回收率的角度出發(fā)，研究將采區(qū)巷道置于超前應(yīng)力影響微弱區(qū)內(nèi)，并且可對巷道圍巖加強(qiáng)支護(hù)，可以保證大巷的穩(wěn)定。此外合理的停采線位置還應(yīng)有利于末采期間撤架工作的順利進(jìn)行。研究周期來壓規(guī)律，將停采線處于周期來壓頂板剛垮落之后，或通過人工強(qiáng)制斷頂措施在停采線處切落懸露的老頂，以達(dá)到減弱回撤通道礦山壓力、安全回撤的目的。

3 FLAC3D數(shù)值模擬方案

3.1 模擬結(jié)果

通過建立模型及數(shù)值計(jì)算，得出以下結(jié)論：卸壓前工作面前方應(yīng)力集中區(qū)域明顯，采取深孔爆破斷頂卸壓后，裂隙弱化頂板能夠有效切斷超前應(yīng)力的傳遞，工作面前方支承應(yīng)力曲線由單峰轉(zhuǎn)化為雙峰，卸壓炮孔仰角45°、炮孔深34.5 m時(shí)效果最好。

弱化區(qū)域與工作面之間應(yīng)力產(chǎn)生緩解效應(yīng)，應(yīng)力峰值17.6 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.7，相比原應(yīng)力集中程度有明顯降低。在弱化區(qū)域前方40 m處，應(yīng)力集中系數(shù)為1.03，不超過原巖應(yīng)力的5%，與不采取深孔爆破卸壓相比，減少31%。這說明卸壓爆破對于阻斷超前應(yīng)力的傳遞、降低應(yīng)力集中程度效果明顯，巷道將產(chǎn)生較緩和的應(yīng)力響應(yīng)，能夠滿足維持巷道穩(wěn)定性的要求。

3.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)數(shù)值模擬應(yīng)力變化情況，超前支承壓力在工作面末采期間和停采一段時(shí)間內(nèi)存在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，應(yīng)力會(huì)向前方煤體轉(zhuǎn)移。為了保證停采后中六區(qū)回風(fēng)巷、皮帶巷不受動(dòng)態(tài)變化應(yīng)力的影響，在工作面設(shè)備回撤時(shí)采用深孔定向爆破的方法切斷頂板卸壓，改善圍巖應(yīng)力傳播途徑，通過斷頂卸壓的方法提高回采上限。定向爆破卸壓的位置、范圍、方法、工藝參數(shù)是本文研究的關(guān)鍵。

4 技術(shù)關(guān)鍵

4.1 確定主要參數(shù)

(1)停采線位置：工作面停采線距采區(qū)回風(fēng)巷80 m，比原停采線向前移動(dòng)20 m。

(2)炮孔布置：工作面長度按224 m計(jì)算，由于超前支承壓力較大，在頂板爆破出弱面后，支承壓力可將頂板壓斷，因此炮孔間距確定為8 m，共布置27個(gè)炮孔。每個(gè)炮孔斜長35 m，仰角45°。

(3)裝藥量：為了防止對工作面造成太大震動(dòng)，本次全部采用?50 mm爆破筒，裝藥量約1.5 kg/m，共計(jì)約810 kg炸藥。每個(gè)炮孔封泥長15 m。

4.2 工序及工期

(1)打孔：工作面回撤通道擴(kuò)幫完成后，在采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)拆除完畢后進(jìn)行鉆孔，此時(shí)鉆機(jī)挪移擺放比較方便。履帶式鉆機(jī)按2～3個(gè)孔/班計(jì)算，則可打4～6個(gè)孔/d，兩臺鉆機(jī)可打8～12個(gè)孔/d，27個(gè)炮孔約3 d完成。

(2)裝藥：撤出液壓支架之前進(jìn)行裝藥放炮，每個(gè)班次起爆不超過5個(gè)炮孔，可裝藥15個(gè)孔/d，27個(gè)炮孔需2 d完成。

(3)起爆：裝一組炸藥后即可安排爆破，按3個(gè)班次/d起爆，需2 d完成。

4.3 深孔爆破卸壓技術(shù)要求

4.3.1 打孔

采用坑道鉆機(jī)，根據(jù)炮孔設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行打孔，孔徑80 mm。采用三翼金剛鉆頭打孔，鉆頭直徑80 mm，鉆桿直徑65 mm，鉆桿長度為1 m，孔深35 m，仰角45°，炮孔間距8 m。

鉆孔施工過程中，采用坡度儀定位炮孔角度，打孔后記錄和檢查打孔情況。由于炮孔長度較長，為使爆破達(dá)到預(yù)期效果并保證安全，炮孔角度不能偏離太大，炮孔角度充許偏離的角度在0.5°以內(nèi)。鉆孔時(shí)盡量將孔內(nèi)煤渣排除，要求鉆桿鉆到規(guī)定深度時(shí)鉆機(jī)空轉(zhuǎn)5 min。

4.3.2 裝藥

為了防止殘炮、拒爆現(xiàn)象，深孔爆破炸藥采用凹槽爆破筒填裝、專用炮棍進(jìn)行裝藥，凹槽可以保護(hù)雷管腳線等不被拉斷，確保所有雷管完好。

炸藥采用煤礦許用三級乳化，藥卷尺寸長200 mm，直徑350 mm。深孔爆破由于炮孔較深，為了便于裝藥，采用阻燃防靜電凹槽被筒，每節(jié)被筒長2 m。先將炸藥裝入被筒內(nèi)，再向炮孔內(nèi)填送炸藥，在每一節(jié)炸藥填入孔內(nèi)的同時(shí)，將雷管塞入凹槽被筒內(nèi)。凹槽管斷面如圖3所示。

圖3 凹槽爆破筒內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)圖

采用分段連體式裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示，每段可連續(xù)安裝5～10筒為一體，每個(gè)孔較深，分段不但易于安裝，且遇到緊急情況時(shí)一段不起爆，另一段也會(huì)起爆。

圖4 分段炸藥的安裝結(jié)構(gòu)

使用凹槽爆破筒時(shí)，用鉗子等在筒中部打一直徑10 mm的孔用于塞入雷管，在距離兩端頭各3 mm處在各打一直徑3 mm的孔用于掛連接扣，使每節(jié)爆破筒相連。

每節(jié)爆破筒可提前塞滿炸藥，使用時(shí)運(yùn)至爆破點(diǎn)。探好孔后，向孔內(nèi)填裝爆破筒時(shí)再塞入雷管，雷管從爆破筒引出后直接連放炮母線，放炮母線放置在爆破筒的凹槽內(nèi)，用膠帶固定好。固定好雷管及炮線之后，用炮棍將每組爆破筒依次塞入孔內(nèi)。

裝藥前必須使用直徑為50 mm的專用炮棍進(jìn)行探孔。如果遇到卡阻現(xiàn)象，說明孔內(nèi)有打鉆殘?jiān)瑢⒏邏核芙拥脚诠魃线M(jìn)行沖洗炮孔，然后再裝藥。

為了防止深孔爆破過程中產(chǎn)生拒爆、殘爆現(xiàn)象，每3～5個(gè)爆破筒安裝一個(gè)雷管，裝藥時(shí)每個(gè)孔內(nèi)必須保證兩組以上的炸藥，每10 m為一連體，推送入孔內(nèi)，炮孔封泥長度為15 m。

4.3.3 封孔

采用深孔爆破專用的黃土封泥袋，封泥袋直徑63 mm，每節(jié)長度500 mm。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，干燥黃土封泥效果比濕潤的好，可加入適量干水泥，按黃土與水泥5∶1的比例進(jìn)行混合，提前將黃土填裝入封泥袋內(nèi)，爆破時(shí)運(yùn)至施工點(diǎn)。裝完藥后，按剩余炮孔長度進(jìn)行封孔，封孔時(shí)注意對爆破母線的保護(hù)，防止其磨損與絞纏，母線懸掛至孔壁上側(cè)，并固定好，用炮棍大頭將黃土封泥袋塞入孔內(nèi)并封實(shí)。

4.3.4 起爆

炮孔起爆時(shí)采用每組爆破筒的雷管串聯(lián)、組與組之間再串連的方式，采用MFB200型起爆器。每個(gè)炮孔中的所有雷管采用串聯(lián)的方式連接。如果多個(gè)炮孔一次起爆，則孔與孔之間也采用串聯(lián)方式，保證每一發(fā)雷管都起爆，一次可同時(shí)起爆一組10個(gè)炮孔。起爆連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖5和圖6所示。

圖5 兩組炸藥的連接結(jié)構(gòu)

圖6 一組炸藥內(nèi)雷管的連線結(jié)構(gòu)

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

(1)將停采線上限前移，多回采煤炭資源，按工作面傾斜長224 m、采高3 m計(jì)算，停采線前移20 m即可多開采2萬t煤，按400元/t的價(jià)格計(jì)算，則可以多創(chuàng)造產(chǎn)值800萬元。

(2)斷頂卸壓可以防止采動(dòng)影響向采區(qū)巷道傳播，減小采區(qū)巷道變形，降低了巷道維護(hù)成本約100萬元。

6 結(jié)語

爆破卸壓法在實(shí)際工程中得到了驗(yàn)證，效果良好。定向卸壓爆破在建筑工程方面應(yīng)用較廣，但在煤礦井下末采期間進(jìn)行斷頂卸壓、確定合理的停采線位置方面的應(yīng)用尚屬首例。實(shí)踐證明，應(yīng)用深孔爆破技術(shù)對頂板進(jìn)行切斷，可以實(shí)現(xiàn)卸壓，降低采動(dòng)應(yīng)力對采區(qū)集中巷道的影響，避免采區(qū)集中巷道產(chǎn)生大變形。

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