某礦堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)

劉亮飛

(汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司雙柳煤礦)

1 深孔爆破方案設(shè)計(jì)

1.1 工作面概況

某礦12418工作面開(kāi)采一水平西一采區(qū)8#煤層，工作面標(biāo)高-726～-544 m，煤層埋深約 630 m，工作面走向長(zhǎng)1 767～1 727 m，平均1 747 m，傾斜長(zhǎng)220 m，面積375 229 m2，煤層總厚0.9～5.5 m，平均3.5 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層上部有1層夾矸，煤層傾角為2°～22°，平均13°。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。工作面的頂?shù)装逄卣鲄?shù)如表1所示。緊鄰工作面煤層上方為2.8 m厚的砂質(zhì)泥巖直接頂，垮落后無(wú)法充滿(mǎn)采空區(qū)；再向上為厚度約14.50 m的中細(xì)砂巖，該巖層為堅(jiān)硬頂板治理的重點(diǎn)層位。

表1 12418工作面頂?shù)装逄卣?/p>

1.2 頂板處理高度確定

12418工作面煤層厚度平均為3.5 m，采高平均為3.2 m。為確保工作面回采后，采空區(qū)能夠充滿(mǎn)矸石，降低頂板來(lái)壓沖擊，12418工作面頂板巖層處理的最小范圍為沿工作面頂板至上方10.6 m的區(qū)域[5-8]。由該工作面的頂?shù)装鍡l件可知，工作面上方為2.8 m厚的直接頂，直接頂上方為厚14.5 m的基本頂。為減小工作面礦壓顯現(xiàn)，應(yīng)將基本頂全部切斷，本研究確定的頂板弱化處理高度為17.3 m。

1.3 深孔爆破關(guān)鍵參數(shù)確定

(1)裝藥不耦合系數(shù)。當(dāng)裝藥不耦合系數(shù)較小(小于1.7)時(shí)，隨著裝藥不耦合系數(shù)的增大，炮孔孔壁所受壓力減小，但孔壁受壓時(shí)間增加[1-3]。適當(dāng)減小孔壁壓力后，炮孔周?chē)膲核閰^(qū)范圍減小且主裂紋分岔數(shù)減少，能夠有效提高炸藥能量利用率，有效增大裂隙區(qū)范圍。結(jié)合該工作面的具體條件確定藥卷直徑為60 mm，炮孔直徑為75 mm，裝藥不耦合系數(shù)為1.25。

(2)炮孔間距。本研究對(duì)藥卷直徑60 mm、炮孔直徑75 mm時(shí)爆破后炮孔周?chē)严秴^(qū)的范圍進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果顯示裂隙區(qū)半徑為1.17 m；相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，裂隙區(qū)半徑為1.34 m。裂隙區(qū)半徑取理論計(jì)算和數(shù)值模擬的最小值，即1.17 m。為取得“拉槽”爆破的效果，合理的炮孔間距應(yīng)為裂隙區(qū)半徑的2倍，即2.34 m，本研究取 2.3 m。

(3)封孔長(zhǎng)度。本研究經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析認(rèn)為，當(dāng)炮孔長(zhǎng)度為20 m時(shí)，合理封孔長(zhǎng)度為6 m，最終確定合理的封孔長(zhǎng)度為6.1 m。在具體實(shí)踐中，當(dāng)炮孔長(zhǎng)度增大時(shí)，封孔長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加。

1.4 初采切眼拉槽爆破方案

根據(jù)該礦實(shí)際生產(chǎn)條件設(shè)計(jì)的炮孔布置方案如圖1所示。選取的切眼深孔爆破參數(shù)如表2所示。

圖1 切眼鉆孔布置示意

藥卷直徑/mm炮孔直徑/mm孔口間距/m孔深/m封孔長(zhǎng)度/m終孔距頂板/m炮孔與頂板夾角/(°)60752.3206.117.360

1.5 兩順槽爆破方案

為確保頂板在初采時(shí)順利垮落并降低周期來(lái)壓步距，需要在切眼前方的上下端頭巷道進(jìn)行補(bǔ)充爆破[4-5]，炮孔組間隔為25 m，炮孔布置如圖2所示。各個(gè)炮孔孔口沿煤層頂板施工，孔口間隔1.0 m。最終的確定兩順槽超前預(yù)裂爆破方案的具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

圖2 兩順槽超前預(yù)裂爆破炮孔剖面

炮孔編號(hào)孔深/m封孔長(zhǎng)度/m終孔距煤層頂板/m炮孔與頂板夾角/(°)X#143817.324X#2771417.313X#391251111X#443717.324X#5771217.313X#6912211.011

注：藥卷直徑為60 mm；炮孔直徑為75 mm。

2 爆破效果評(píng)價(jià)

12418工作面推進(jìn)12.6 m后，78#～84#架后方的直接頂初次垮落，當(dāng)工作面推進(jìn)27.8 m后，所有支架后方均有冒落矸石充填。工作面推進(jìn)較短距離后，支架后方頂板已基本冒落，冒落矸石能夠接頂，采空區(qū)基本被充填滿(mǎn)。從工作面支架的縫隙及上、下隅角向采空區(qū)后方觀察，均可見(jiàn)到充滿(mǎn)的矸石，可見(jiàn)，深孔預(yù)裂爆破效果明顯。

12418工作面觀測(cè)的主要內(nèi)容為工作面支架壓力，采用在線式支架壓力記錄儀監(jiān)測(cè)綜采工作面支架工作阻力。2017年9月30日完成礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝工作，截至2017年10月30日，觀測(cè)持續(xù)31 d，工作面累計(jì)推進(jìn)100.3 m。支架壓力記錄儀沿工作面布置方向布置了15個(gè)，監(jiān)測(cè)表明，該工作面頂板的初次來(lái)壓步距較小(25.6～34.4 m)，平均為27.8 m。數(shù)值模擬分析顯示12418工作面頂板未來(lái)進(jìn)行深孔爆破處理時(shí)的初次來(lái)壓步距大于56 m，且實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，其相鄰類(lèi)似條件工作面的初次來(lái)壓步距在40 m以上，可見(jiàn)本研究堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破效果顯著，有效減小了工作面的初次來(lái)壓步距，避免了由于初次來(lái)壓步距過(guò)大帶來(lái)的安全隱患。

為進(jìn)一步分析支架的受力狀態(tài)，本研究對(duì)支架的工作阻力頻率分布特征進(jìn)行了分析。由圖3可知：支架的工作阻力主要分布于8 000 kN以下，各支架超出額定工作阻力10 800 kN的比例較小，安全閥開(kāi)啟率極低，支架的工作阻力富裕量較大，可見(jiàn)該工作面采用深孔預(yù)裂爆破處理堅(jiān)硬頂板后礦壓顯現(xiàn)不明顯，深孔爆破取得了較為理想的效果。

圖3 工作面工作阻力頻率分布直方圖

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)某礦12418工作面的頂板深孔預(yù)裂爆破方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，深孔爆破后，工作面的初次來(lái)壓步距大幅減小，支架所受壓力明顯降低，表明爆破參數(shù)選取合理，可有效保證該工作面初采期間的安全開(kāi)采。