超深上仰孔卸壓爆破集中煤柱工藝技術(shù)研究

邵紅旗

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

陜北侏羅紀(jì)煤田進(jìn)入煤層群下組煤開采時(shí)，需采出上覆各種殘留煤柱，這時(shí)往往伴隨著強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問題，其中較普遍且危害性大的礦壓災(zāi)害就是切頂壓架災(zāi)害[1]。

關(guān)于神東礦區(qū)侏羅紀(jì)煤田薄基巖厚風(fēng)積沙型淺埋近距離煤層群開采動(dòng)壓壓架災(zāi)害防治技術(shù)方面的研究，成果豐碩，鞠金峰等[1-2]利用關(guān)鍵層理論分析壓架機(jī)理的基礎(chǔ)上提出了煤柱邊界預(yù)掘空巷或預(yù)爆破、煤柱邊界未壓實(shí)采空區(qū)充填及煤柱邊界上方關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)預(yù)爆破強(qiáng)放等防治對(duì)策。屠世浩等[3]采用彈性能理論，對(duì)覆巖變形破壞、沖擊式來壓原因、壓架機(jī)理、地表移動(dòng)規(guī)律和井下礦壓規(guī)律關(guān)系等進(jìn)行了研究，針對(duì)性地提出了殘留煤柱爆破放頂卸壓、地面鉆孔注砂充填煤房和合理控制采高等控制和預(yù)防措施。付興玉等[4]通過分析超前支承壓力作用下小煤柱保持穩(wěn)定時(shí)的臨界彈性核寬度、動(dòng)載荷作用下工作面覆巖結(jié)構(gòu)及支架載荷，對(duì)動(dòng)載礦壓的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上提出了煤柱爆破防治措施。李浩蕩等[5-6]在文獻(xiàn)[1]壓架機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，提出了煤柱爆破的治理方案。徐敬民等[7]綜合考慮下煤層采動(dòng)、超前支承壓力及關(guān)鍵塊體逆向回轉(zhuǎn)滑落失穩(wěn)是造成工作面發(fā)生強(qiáng)烈動(dòng)載礦壓的根本原因，并提出了煤柱爆破的防治措施。

可見煤柱爆破是治理壓架災(zāi)害的一種普遍且有效的技術(shù)措施，但是理論分析必須與實(shí)踐相結(jié)合才能創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文創(chuàng)新性地提出了一種井下超深上仰孔卸壓爆破集中煤柱防治動(dòng)災(zāi)技術(shù)，與國內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道的煤柱爆破技術(shù)相比，突破了現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范、規(guī)程，解決了3大工藝技術(shù)難題，分別是當(dāng)炮孔深達(dá)110 m，仰角達(dá)30°時(shí)的安全高效裝藥難題、當(dāng)裝藥段長度達(dá)16 m時(shí)的炸藥安全傳爆及炮孔堵塞難題。經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，該工藝技術(shù)具有工程借鑒和推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

神木某礦3301工作面，屬于典型薄基巖、厚風(fēng)積沙型淺埋近距離煤層群開采，埋深157.07～101.50 m，傾向?qū)?00 m，走向長2260 m，平均采高2.8 m，與上覆2-2煤層間距36～42 m。上覆2-2煤平均厚4.2 m，煤質(zhì)較硬，3301面回采時(shí)從切眼開始需經(jīng)歷上覆2-2煤無煤區(qū)、實(shí)煤體區(qū)、房采采空區(qū)、旺采采空區(qū)、傾向集中條帶煤柱區(qū)及長壁綜采采空區(qū)，詳見圖1所示。覆巖結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，根據(jù)類似采礦地質(zhì)條件下的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，3301工作面回采經(jīng)歷上覆2條集中傾向煤柱(分別是14 m和7 m寬)時(shí)，易發(fā)生動(dòng)力壓架災(zāi)害。

圖1工作面與上覆煤柱位置關(guān)系圖

Fig.1Layout of working face and concentrated coal pillars

2 超深孔卸壓松動(dòng)爆破防災(zāi)原理

2.1 超深孔松動(dòng)爆破原理

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)[8]定義：炮孔直徑≤50 mm，炮孔深度≯5 m的爆破作業(yè)叫淺孔爆破；炮孔直徑>50 mm，并且深度>5 m的爆破作業(yè)叫深孔爆破。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為：鉆孔直徑為40～60 mm，深度8～15 m，充分利用爆破能量，使爆破對(duì)象成為裂隙發(fā)育體且不產(chǎn)生拋擲叫深孔松動(dòng)爆破；炮孔深度在15 m以上，炮孔直徑在75 mm以上的叫超深孔松動(dòng)爆破。本文涉及的工程中炮孔深度達(dá)110 m，屬于超深孔松動(dòng)爆破范疇。

由文獻(xiàn)[9]可知超深孔松動(dòng)爆破原理為：利用不耦合裝藥空隙的存在減小作用在孔壁上的爆壓峰值，并為炮孔間提供了聚能的臨空面。削減后的爆壓峰值不致使孔壁產(chǎn)生明顯的壓縮破壞，只切向拉力使炮孔四周產(chǎn)生徑向裂紋，加之臨空面聚能作用使孔間連線產(chǎn)生應(yīng)力集中，孔間裂紋發(fā)展，而滯后的高壓氣體沿縫產(chǎn)生“氣刃”劈裂作用，使周邊孔間連線上裂紋全部貫通。

2.2 超深孔卸壓松動(dòng)爆破防災(zāi)原理

淺埋近距離煤層群開采時(shí)下組煤采出上覆殘留集中傾向煤柱動(dòng)力壓架災(zāi)害的本質(zhì)是，上覆殘留煤柱頂板堅(jiān)硬，物理力學(xué)性質(zhì)好，殘留煤柱具有沖擊傾向性，層間巖層的綜合抗剪能力弱3個(gè)綜合因素導(dǎo)致災(zāi)害的發(fā)生。即下組煤采出上覆殘留煤柱時(shí)，具有沖擊傾向性的殘留煤柱突然失穩(wěn)破壞，使殘留煤柱的頂板具有了向下斷裂運(yùn)動(dòng)的巨大沖擊動(dòng)能，層間巖層不足以抵抗這種強(qiáng)度沖擊動(dòng)載時(shí)，導(dǎo)致工作面發(fā)生切頂壓架災(zāi)害。

超深孔卸壓松動(dòng)爆破防災(zāi)原理是，通過對(duì)殘留煤柱的松動(dòng)爆破，降低煤柱的集中應(yīng)力，弱化殘留煤柱的強(qiáng)度，消除或減弱殘留煤柱的沖擊傾向性，同時(shí)又有控制地卸壓，使煤柱保持一定結(jié)構(gòu)上的完整性，達(dá)到防止煤柱動(dòng)態(tài)瞬間突變失穩(wěn)破壞的目的，利用超前支承壓力緩慢壓壞煤柱，確保殘留煤柱的頂板緩慢準(zhǔn)靜態(tài)斷裂下沉破壞，不致瞬間動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)，達(dá)到能量階段釋放，動(dòng)壓緩慢化解的目的，防止動(dòng)載切頂壓架災(zāi)害發(fā)生。

2.3 動(dòng)災(zāi)防治方案

根據(jù)工作面的采礦地質(zhì)條件，制定防災(zāi)方案為從3301工作面兩側(cè)順槽施工超深上仰鉆孔，準(zhǔn)確打中靶區(qū)為7 m寬和14 m寬的2條集中傾向煤柱，對(duì)這2條殘留煤柱進(jìn)行卸壓松動(dòng)爆破，防止動(dòng)災(zāi)發(fā)生，詳見圖2所示。

圖2煤柱爆破鉆孔平面及剖面圖

Fig.2Planar and sectional view of blasting holes

本方案的實(shí)施面臨井下超深上仰孔的準(zhǔn)確打中煤柱靶區(qū)、超深孔裝藥、最佳鉆機(jī)間距、超長裝藥段安全傳爆、超深孔炮孔堵塞及管道效應(yīng)消除等諸多難題。經(jīng)過鉆探工藝試驗(yàn)，利用我單位自制ZDY4000L型井下專業(yè)坑道履帶鉆機(jī)及扶正器等，順利解決了準(zhǔn)確打中煤柱靶區(qū)的難題，在此不做詳述，其它工藝難題解決方法詳見下文所述。

3 裝藥工藝研究

超深上仰孔卸壓松動(dòng)爆破面臨的首要難題就是安全高效裝藥，也是長鉆孔深度不能達(dá)到110 m的主要技術(shù)“瓶頸”，據(jù)資料顯示，深孔爆破裝藥形式，有通過壓風(fēng)向孔內(nèi)吹入粉末炸藥的，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)一定裝藥長度，但孔內(nèi)炸藥粉末分布不均勻，易出現(xiàn)殉爆現(xiàn)象同時(shí)在裝藥過程中，藥粉受摩擦易發(fā)生燃燒甚至爆炸，安全無保障，且不利于在井下實(shí)施。固體藥卷裝藥，有利于竹簡片固定藥卷，再使竹簡相互連接，但由于竹簡連接處不穩(wěn)定，裝藥容易卡住，因此無法推廣應(yīng)用。也有利用混凝土噴射原理用噴射設(shè)備往炮孔內(nèi)噴射漿狀炸藥以實(shí)現(xiàn)鉆孔裝藥的，但是在鉆孔內(nèi)的噴射深度有限。陳蘇社[10]使用 PVC 管裝藥工藝及木楔封口技術(shù)成功解決了50 m超深孔的裝藥難題，但是不能應(yīng)用于本工程所面臨的110 m的超深炮孔。為了實(shí)現(xiàn)炮孔安全高效裝藥，自主研制了特殊裝藥裝置[11]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。裝藥方法為：把加工好的裝藥裝置用鉆機(jī)緩慢送至孔內(nèi)，裝藥裝置內(nèi)裝有設(shè)計(jì)量的炸藥，裝藥裝置送至距離孔底約1 m時(shí)，孔口鉆桿接水泵，用水泵水力通過鉆桿內(nèi)的空心把炸藥管從裝置內(nèi)推出，炸藥管與頂部的鉤爪體通過螺紋連接，水力把炸藥管推出裝置后，鉤爪體自動(dòng)彈開掛在孔底的孔壁上，防止炸藥下滑，同時(shí)緩慢退出裝藥銅管裝置，整個(gè)過程中最為重要的就是要防治炮線被扯斷，同時(shí)把握好裝置距離孔底的距離，讓炸藥管剛好掛在需要爆破的煤柱內(nèi)，經(jīng)過對(duì)88個(gè)超深上仰鉆孔的安全高效裝藥實(shí)踐驗(yàn)證，該裝置可實(shí)現(xiàn)徑向不耦合柱狀連續(xù)裝藥，成功解決了井下超深上仰炮孔裝藥難題。

圖3裝藥裝置結(jié)構(gòu)圖

Fig.3Structure of explosive charging device

4 最佳炮孔間距確定

最佳炮孔間距主要依據(jù)2個(gè)方面來確定：一是鉆孔柱狀不耦合裝藥時(shí)裂隙圈半徑的2倍要大于炮孔間距，即爆破作業(yè)形成的裂隙圈要互相交圈才能保證對(duì)煤柱的有效松動(dòng)卸壓作用；二是爆破形成的裂隙交圈只需覆蓋煤柱的彈性核部分，不需浪費(fèi)鉆孔和炸藥去松動(dòng)爆破煤柱的塑性區(qū)。

4.1 鉆孔爆破裂隙圈半徑計(jì)算

按照巖石的破壞特征，爆破作用在巖石中一般形成3個(gè)區(qū)：擴(kuò)大空腔、壓碎區(qū)及裂隙區(qū)。巖石的爆破主要依靠的就是破裂區(qū)，依據(jù)本爆破工程的實(shí)際工況，當(dāng)采用柱狀不耦合裝藥時(shí)，本文按爆生氣體準(zhǔn)靜壓作用來計(jì)算裂隙圈半徑[12]：

Rp=(P0/σt)1/2rb

P0=ρ0D2(rc/rb)6/8

式中：Rp——裂隙圈半徑，m；P0——作用于炮孔壁的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，Pa；ρ0——炸藥密度，1200 kg/m3；D——炸藥爆速，取3200 m/s；rc——裝藥半徑，取0.035 m；rb——炮孔半徑，取0.043 m；σt——煤體的抗拉強(qiáng)度，取1.5 MPa。

計(jì)算得：P0=4466.72 MPa；Rp=2.35 m。

4.2 殘留煤柱塑性區(qū)寬度計(jì)算

由極限平衡理論[13]，靠近工作面?zhèn)燃忻褐^(qū)寬度為：

式中：K——應(yīng)力集中系數(shù)，取2.06；m0——上煤層平均采厚，取4.2 m；ξ——三軸應(yīng)力系數(shù)，ξ=(1+sinψ)/(1-sinψ)=2.37；ψ——煤體內(nèi)摩擦角，取24°；f——上煤層與其頂?shù)装褰佑|面間摩擦因數(shù)，取0.2；γ——上煤層覆巖容重，取21.3 kN/m3；H——上煤層埋深，取90 m；c——煤體粘聚力，取0.64 MPa。

計(jì)算得：Y=2.0 m。

依據(jù)鉆孔爆破裂隙圈半徑及殘留煤柱塑性區(qū)寬度計(jì)算結(jié)果，結(jié)合煤礦寬度條件，可確定最佳炮孔間距為4 m。

5 安全傳爆及炮孔堵塞

5.1 地面?zhèn)鞅囼?yàn)

試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱私鉀Q超長裝藥段(最長達(dá)16 m)炸藥的安全傳爆難題。因?yàn)檠兄频你@孔裝藥裝置本身的結(jié)構(gòu)使炸藥藥卷和PVC塑料管之間有一環(huán)狀空氣間隙，PVC塑料管與鉆孔孔壁之間又存在一環(huán)狀空氣間隙，這就導(dǎo)致了炸藥爆炸時(shí)的雙重管道效應(yīng)，本來裝藥段長度就長達(dá)16 m，同時(shí)又面臨著雙重管道效應(yīng)，就更增加了炸藥的安全傳爆難度。為此專門在地面露天礦坑中設(shè)計(jì)并模擬井下鉆孔真實(shí)起爆條件的炸藥傳爆試驗(yàn)，?=70 mm的水膠炸藥裝在內(nèi)徑為75 mm、壁厚3 mm的塑料管內(nèi)，再用一個(gè)內(nèi)徑為90 mm的塑料管來模擬鉆孔(如圖4所示)。由傳爆試驗(yàn)得知，一個(gè)電雷管最大只能安全傳爆水膠炸藥約3 m，就是說16 m長的裝藥段大概約需要5發(fā)電雷管、連接10根腳線才能保證炸藥安全傳爆，進(jìn)而達(dá)到松動(dòng)卸壓爆破煤柱的效果，施工工序極其復(fù)雜，無疑是給井下施工帶來了極大的不安全因素，既不安全又費(fèi)工費(fèi)時(shí)。為此借鑒煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[14]中導(dǎo)爆索的起爆性能試驗(yàn)方法，對(duì)整個(gè)裝藥段鋪設(shè)直徑為6.5 mm、爆速≮6000 m/s的煤礦許用導(dǎo)爆索，裝藥段外端只需綁扎1發(fā)電雷管，連接2根腳線再次進(jìn)行了傳爆試驗(yàn)，傳爆效果很好，這種“導(dǎo)爆索+電子雷管”的混合起爆方法不僅解決了超長裝藥段炸藥的安全傳爆難題，而且消除了炸藥爆炸時(shí)的管道效應(yīng)。

圖4 露天礦坑傳爆試驗(yàn)

5.2 C-S漿液凝結(jié)特性試驗(yàn)

眾所周知良好的炮孔堵塞質(zhì)量能夠提高爆破松動(dòng)效果，但為了解決超深上仰炮孔堵塞工藝難題，選用P.O 42.5硅酸鹽水泥，模數(shù)M=3.2、波美度為40的水玻璃作為原材料進(jìn)行了不同水灰比和不同體積比，在靜水和動(dòng)水條件下的水泥-水玻璃雙液漿凝膠特性試驗(yàn)，配比參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果詳見表1所示。

表1 靜動(dòng)水條件下漿液凝膠時(shí)間對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為水灰比為1∶1，水泥漿與水玻璃的體積為1∶1時(shí)，為最佳漿液配比參數(shù)，原因是凝膠時(shí)間不是太短，利于現(xiàn)場(chǎng)雙液注漿泵注漿施工，凝膠時(shí)間又不是太長，方便提高施工效率，同時(shí)漿液結(jié)實(shí)率為100%，無收縮。經(jīng)井下現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)及工程實(shí)際檢驗(yàn)，這種水泥-水玻璃雙液注漿堵塞炮孔工藝技術(shù)能實(shí)現(xiàn)井下超深上仰炮孔的安全堵塞，同時(shí)又達(dá)到了快速封孔和消除炸藥爆炸的管道效應(yīng)的目的。

5.3 振動(dòng)安全允許距離核算

依據(jù)國標(biāo)[9]中的公式計(jì)算單段最大起爆藥量：

Q=R3/(K/V)3/ψ

式中：R——爆破振動(dòng)安全允許距離，取71.6 m；V——保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，依據(jù)文獻(xiàn)[8]，取10 cm/s；K、ψ——與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，K取220、ψ取1.7。

計(jì)算得：Q=1569.5 kg。即如果齊發(fā)藥量≯1596.5 kg，則R肯定大于71.6 m，能夠確保巷道頂板的安全穩(wěn)定。

6 結(jié)語

(1)本文成功解決的3大工藝技術(shù)難題能使超深上仰孔卸壓爆破集中煤柱技術(shù)更好地應(yīng)用于淺埋近距煤層下組煤采出上覆集中煤柱時(shí)動(dòng)災(zāi)防治工程中。

(2)能使這種技術(shù)的應(yīng)用范圍更寬廣，如強(qiáng)制放頂、煤層增透、沖擊礦壓防治、提高塊煤率等。

(3)該技術(shù)的成功應(yīng)用表明其具有工程借鑒和推廣應(yīng)用價(jià)值。

(4)為了完善該技術(shù)，應(yīng)該形成一套行之有效的爆破效果評(píng)價(jià)方法，不能是某種單一的監(jiān)測(cè)手段來間接評(píng)價(jià)爆破效果，建議利用礦壓監(jiān)測(cè)、巖層及地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)、槽波CT透視掃描、微震監(jiān)測(cè)、煤柱集中應(yīng)力監(jiān)測(cè)等多手段，形成一整套井上下綜合立體爆破效果評(píng)價(jià)方法，也是作者繼續(xù)研究的方向。