孤島工作面過堅硬陷落柱技術(shù)研究

張建麗

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

0 引 言

孤島工作面回采時，受周圍采空區(qū)動壓影響，生產(chǎn)風(fēng)險比較大，在經(jīng)過一些特殊的地質(zhì)構(gòu)造時，回采難度會更大。孤島工作面過陷落柱時，采煤機(jī)切割能力有限，特別是通過一些堅硬的陷落柱時，采煤機(jī)滾筒截齒的損耗更加嚴(yán)重，且截割效果不好，常常造成截齒損壞或者采煤機(jī)卡頓故障。山西長治市經(jīng)坊煤礦3-邊角05孤島工作面走向長678m，傾斜長160m,煤層平均厚度為3.5m，傾角4°，工作面標(biāo)高為710～734m，開采深度為230m，采煤機(jī)型號為MG500/1140-WD，基本支架采用ZF12000/22/35型。該煤層老頂厚度為5.70～7.30m的粗、中、細(xì)粒砂巖、粉砂巖；直接頂厚度為0.15～4.80m的泥巖，泥巖裂隙發(fā)育，砂泥質(zhì)膠結(jié)，易冒落；直接底厚度為3.00～7.50m的泥巖，深灰色，疏松，易碎，易風(fēng)化。在工作面切眼發(fā)育X-51陷落柱，陷落柱長軸30m，短軸26.8m，陷落柱為堅硬砂巖，將對工作面正?；夭稍斐珊艽笥绊?，所以必須采取一定的措施保證采煤機(jī)安全、高效通過陷落柱。

圖1 3-邊角05孤島工作面斷層及陷落柱位置示意圖

1 過陷落柱方案

由于陷落柱所處位置為孤島工作面面內(nèi)，且靠近相鄰運(yùn)輸順槽，故不采用繞過的方式，一般采用控制爆破的方法將陷落柱巖體進(jìn)行松動，方便采煤機(jī)截割陷落柱通過。控制爆破根據(jù)鉆研深度可分為淺孔爆破和深孔爆破（含中深孔爆破），采用淺孔爆破對陷落柱進(jìn)行爆破時，由于陷落柱硬度較硬，淺孔爆破存在自由面，所以爆破過程中巖體會沿最小抵抗線方向拋擲，造成巖體飛濺，同時容易在支架前方造成空頂，增加冒頂?shù)娘L(fēng)險。

采用深孔爆破時，爆破產(chǎn)生的沖擊波會對陷落柱巖體進(jìn)行松動，爆破后的陷落柱形成破碎巖塊，采煤機(jī)可順利切割通過。

1.1 深孔爆破方案

陷落柱的力學(xué)特性如圖1所示，根據(jù)巖體力學(xué)特性，確定深孔爆破的炮眼參數(shù)。

表1 陷落柱力學(xué)特性參數(shù)表

1.1.1 炮眼布置

X51陷落柱位于孤島工作面相鄰巷道內(nèi)，鉆眼工作空間大，鉆眼機(jī)具的位置不受限制，故本工程選用ZYJ-300/160式回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，可實(shí)現(xiàn)打眼角度360°可調(diào)，根據(jù)陷落柱巖層性質(zhì)及巷道的空間大小，結(jié)合本礦相關(guān)爆破經(jīng)驗(yàn)，炮眼深度取28m，炮眼層間距為1.5m，水平間距為1.2m，底眼和頂眼分別距離底板和頂板間距為0.7m和2.3m，仰角為1.5°。炮眼布置及開孔示意見圖2。

圖2 炮眼布置及開孔示意圖

1.1.2孔徑

根據(jù)深孔預(yù)裂爆破相關(guān)理論，結(jié)合本礦之前控制爆破的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，確定孔徑為0.91m，藥卷直徑為0.6m，不耦合系數(shù)為1.52。

1.1.3裝藥量及起爆方式

根據(jù)鮑列斯夫公式，確定裝藥量為19.8kg/孔，由于裝藥量相對較大，一次起爆產(chǎn)生的沖擊波對巷道圍巖的穩(wěn)定性不利，支架支護(hù)的難度增加，所以本次爆破采用分層爆破的方式，即將炮眼分為上下兩層，一次裝藥完成，先進(jìn)行下層炮眼爆破，下層炮眼爆破完成后隨即進(jìn)行下層炮眼爆破。

1.2 相似模擬計算與分析

為了驗(yàn)證以上選擇的過陷落柱的方法及相關(guān)爆破參數(shù)是否合理，以經(jīng)坊礦3-邊角05孤島工作面煤巖層及陷落柱的力學(xué)特性為背景，用ANSYS/LSDYNA數(shù)值分析軟件，對上述爆破參數(shù)下一次起爆三個炮眼進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果見圖3。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

由圖3可看出，經(jīng)過爆破后的陷落柱，巖體的完整性相對比較完好，但是巖體間已經(jīng)形成大量的貫通裂縫，對巖體的力學(xué)性質(zhì)已產(chǎn)生比較大的改變，巖體裂隙的重疊率相對比較低，爆破效果比較理想，保證了陷落柱巖體的穩(wěn)定性，工作面支架阻力不會發(fā)生突變，方便管理頂板，同時，由于巖體內(nèi)部裂隙的發(fā)育，使采煤機(jī)切割陷落柱的難度大大降低，方便采煤機(jī)通過陷落柱。

2 現(xiàn)場應(yīng)用檢驗(yàn)

2018年7月20日，3-邊角05孤島工作面推進(jìn)過程揭露X51陷落柱，此時采煤機(jī)日進(jìn)尺減少為2刀，對該陷落柱進(jìn)行取樣，測定其普氏系數(shù)，證明其為堅硬的砂巖，采煤機(jī)已經(jīng)無法正常推進(jìn)，必須采取爆破方法對陷落柱進(jìn)行預(yù)裂。采取如圖4所示的雷管連接方式，采用一次起爆3個炮眼的方式，按照上述爆破參數(shù)進(jìn)行布置，起爆后，陷落柱的力學(xué)特性發(fā)生變化，采煤機(jī)可正常進(jìn)行切割，日進(jìn)尺提高到6刀，施工速度得到提升，且采煤機(jī)截齒未發(fā)生磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象。歷時15天，采煤機(jī)順利通過陷落柱，在此過程液壓支架未發(fā)生異?，F(xiàn)象，頂板未發(fā)生明顯來壓現(xiàn)象，達(dá)到比較高的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。

圖4 雷管連接方式圖

3 結(jié)論

1）工作面過陷落柱前，應(yīng)先分析陷落柱的力學(xué)特性以及陷落柱的幾何尺寸，根據(jù)力學(xué)特性及幾何尺寸選擇合理的爆破方式以及爆破參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。

2）深孔預(yù)裂爆破可防止爆破過程中巖體沿最小抵抗線方向發(fā)生拋擲，影響爆破效果。對于巖體普氏系數(shù)較大，幾何尺寸較大的陷落柱，采用深孔爆破時，可達(dá)到比較理想的松動爆破效果，縮短采煤機(jī)通過特殊地質(zhì)構(gòu)造的時間，減小硬巖對采煤機(jī)截齒的磨損。

3）孤島工作面過陷落柱時，爆破鉆眼空間一般比較大，有利用鉆眼機(jī)具發(fā)揮其自身特點(diǎn)，且施工過程對工作面無影響，特別對于深孔預(yù)裂爆破，其適用性更強(qiáng)。