深孔預(yù)裂爆破在工作面強(qiáng)制放頂中的應(yīng)用研究

田 野

（潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 工程地質(zhì)概況

慈林山煤礦15103工作面開(kāi)采太原組一段的15#煤層，煤層厚度為1.7～5.8m，平均煤層厚度為3.5m，工作面傾向長(zhǎng)130m。工作面直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，是Ⅲ類穩(wěn)定型頂板，老頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度為6.6m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，老頂?shù)膩?lái)壓量Pe為1050kPa，初次來(lái)壓強(qiáng)度大，由于工作面老頂堅(jiān)硬，不易垮落，容易造成大面積懸頂，威脅工作面安全回采。煤層頂?shù)装迩闆r如下表1所示。因此，在工作面回采過(guò)程中，必須人工強(qiáng)制放頂，以減少工作面頂板懸頂面積，保證工作面的安全回采。

2 深孔爆破方案設(shè)計(jì)

2.1 炮孔設(shè)計(jì)參數(shù)

工作面鉆孔采用現(xiàn)有型號(hào)為ZDY1900S鉆孔機(jī)進(jìn)行施工，鉆桿的直徑為75mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件和施工機(jī)具，選用2#礦用炸藥及礦用電雷管進(jìn)行爆破，藥卷直徑為50mm。合理的封孔長(zhǎng)度是爆破效果達(dá)到最佳的關(guān)鍵因素之一，封孔過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致爆破的破碎能力降低，無(wú)法使頂板形成大量裂隙，達(dá)不到放頂?shù)哪康?，如果封孔過(guò)短，爆破時(shí)，爆炸產(chǎn)生的沖擊波將封孔材料推出炮孔，從而無(wú)法形成氣楔，導(dǎo)致爆破失敗[1-3]。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破經(jīng)驗(yàn)，封孔長(zhǎng)度一般為炮孔長(zhǎng)的30%，為7.8m。

2.2 有效放頂高度

該礦15103工作面的煤層厚度為3.5m，利用公式（1）可以計(jì)算爆破強(qiáng)制放頂?shù)挠行疃菻。

式中：

M-煤層厚度，m；

Kp-工作面頂板巖層碎漲系數(shù)，取1.3。

由公式（1）計(jì)算可知：H=11.7m，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定爆破的有效高度為12m，即該工作面厚6.6m老頂?shù)纳喜俊?/p>

2.3 工作面頂板各巖層載荷

根據(jù)該工作面綜合柱狀圖，煤層老頂以上巖層依次為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、煤、泥巖、石灰?guī)r，其巖石力學(xué)物理參數(shù)如表2所示。根據(jù)關(guān)鍵層理論計(jì)算出各層載荷[4]。

表1 15#煤層頂?shù)装迩闆r表

表2 頂板各層巖石力學(xué)參數(shù)

（1）煤層老頂所受載荷

細(xì)粒砂巖自身載荷q1為：

第二層對(duì)第一層巖層產(chǎn)生的作用，則有：

第三層對(duì)第一層產(chǎn)生的作用，則有（q3）1：

第四層對(duì)第一層巖層產(chǎn)生的作用，則有（q4）1：

第五層對(duì)第一層產(chǎn)生的作用，則有（q5）1：

同理可計(jì)算得到第六、第七層作用。

計(jì)算得到第六、第七層分別作用258.65kPa以及257.34kPa，第七層作用小于第六層作用，因此，可知：第一層老頂?shù)妮d荷為258.65kPa。

（2）老頂初次來(lái)壓步距計(jì)算

假定老頂為固支梁，計(jì)算其初次來(lái)壓步距。

式中：

h-老頂厚度，6.6m；

RT-巖石的抗拉強(qiáng)度，一般細(xì)粒砂巖的抗拉強(qiáng)度范圍為4.2～7.8MPa之間，此處，取值為6MPa；

q-老頂巖層載荷，258.65kPa。

為了保證回采安全，爆破強(qiáng)制放頂步距取老頂初次來(lái)壓步距的1/2，即22.45m。

2.4 炮孔布置方案

根據(jù)工作面長(zhǎng)度，共布置6組爆破炮孔，每組包含兩個(gè)炮孔，炮孔間距為9m，炮孔的各項(xiàng)參數(shù)相同。炮孔的長(zhǎng)度為24m，與工作面走向垂直，與工作面傾向成30°夾角，炮孔的終孔高度為12m，每個(gè)炮孔的裝藥量為33.5kg，封孔長(zhǎng)度為7.8m。炮孔布置示意圖如1所示。

圖1 炮孔布置示意圖

3 爆破技術(shù)分析

3.1 裝藥技術(shù)

本次爆破采用炸藥是2號(hào)礦用乳化炸藥，由于該型炸藥偏軟，因此，在裝藥時(shí)容易發(fā)生磨損破壞。為了避免破壞，裝藥時(shí)，載體采用可以防靜電的PVC管。由于該工作面的采高為3.5m，炮孔的長(zhǎng)度是24m，因此，采用8根長(zhǎng)3m的PVC管，且在每段PVC管端頭設(shè)置卡槽，方便管管之間的連接。炮眼采用連續(xù)耦合的裝藥方式，起爆方式為雙雷管引爆。PVC管端頭連接示意圖如圖2所示。

圖2 PVC管端頭連接示意圖

3.2 裝藥量計(jì)算

根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)，每個(gè)炮孔的裝藥量為33.5kg，工作面共布置6組12個(gè)炮孔，因此，總裝藥量為402kg。但由于一些鉆孔塌孔，PVC管在插入過(guò)程中受到擠壓變形，炮孔周邊存在較大的煤巖裂隙，因此，在工作面實(shí)際裝藥過(guò)程中，一部分炮孔裝藥量低于設(shè)計(jì)裝藥量，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)裝藥總量?jī)H為365.5kg。具體炮孔裝藥量如表3所示。

表3 各炮孔實(shí)際裝藥量

3.3 爆破產(chǎn)生CO量計(jì)算

此次爆破試驗(yàn)所用的炸藥為二號(hào)礦用炸藥，該炸藥的爆炸反應(yīng)方程式如下式所示：

爆破所用實(shí)際炸藥量為365.5kg，依據(jù)上述方程式及質(zhì)量守恒定律（即反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)前后原子的種類、數(shù)目及質(zhì)量沒(méi)有變化，因此，化學(xué)反應(yīng)前后各物質(zhì)的質(zhì)量總和必然相等），可得：爆破產(chǎn)生CO量為5.89kg，CO2的產(chǎn)生量為55.48kg，N2的產(chǎn)生量為97.58kg。工作面傾向長(zhǎng)130m，寬3.2m，高度為3.6m，空氣的密度為1.29kg/m3，由此可計(jì)算出，爆破前工作面空氣量M為1931.90kg，爆炸后工作面的空氣總量為2090.85kg。由此，可計(jì)算出爆破后工作面空氣中CO含量為2.81×10-3。爆破后，利用檢測(cè)儀器在工作面回風(fēng)巷道檢測(cè)空氣中CO的含量為2.70×10-3，檢測(cè)值與理論計(jì)算值相近。因此，該爆破后工作面空氣中CO含量的計(jì)算方式可以作為其他工作面深孔預(yù)裂爆破后空氣中CO含量的計(jì)算方式。

3.4 爆破后通風(fēng)時(shí)間

由于爆破會(huì)產(chǎn)生大量CO、CO2、N2等有害氣體，因此，工作面爆破后進(jìn)人前需要一定的時(shí)間進(jìn)行通風(fēng)排除有害氣體。該工作面的體積V為1497.6m3，按照《煤礦安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，工作面的最大風(fēng)速不得超過(guò)4.0m/s，最小風(fēng)速不得低于0.25m/s，根據(jù)工作面寬度3.2m，高3.6m，可計(jì)算得到最長(zhǎng)通風(fēng)時(shí)間tmax及最短通風(fēng)時(shí)間tmin。時(shí)間t1計(jì)算公式如下：

計(jì)算得到最短通風(fēng)時(shí)間為32.5s，最長(zhǎng)通風(fēng)時(shí)間為520s。

15103工作面的配風(fēng)量為1830m3/min，即30.5m3/s，按工作面配風(fēng)量計(jì)算時(shí)間t2的計(jì)算公式如下：

t2=V/Q=1497.6/30.5=49.1s

由于32.5＜t2＜520，為了安全起見(jiàn)，爆破后需通風(fēng)520s后，人員方可進(jìn)入工作面進(jìn)行作業(yè)。

3.5 爆破效果

工作面回采22.5m后，根據(jù)設(shè)計(jì)方案對(duì)工作面頂板進(jìn)行深孔爆破，爆破后，工作面頂板垮落，冒落的破碎巖塊基本充滿液壓支架后方采空區(qū)，工作面采空區(qū)頂板由固支梁結(jié)構(gòu)變?yōu)閼冶哿航Y(jié)構(gòu)，當(dāng)工作面推進(jìn)至45m附近時(shí)老頂初次來(lái)壓，支架工作阻力急劇上升。由于初次放頂后，頂板冒落巖塊幾乎充滿后方采空區(qū)，所以工作面推進(jìn)后，頂板巖層垮落，有效減輕了工作面初次來(lái)壓頂板大面積垮落帶來(lái)的沖擊，保證了工作面人員和設(shè)備的安全。

4 結(jié) 論

針對(duì)15103工作面老頂為細(xì)粒砂巖、堅(jiān)硬不易垮落的情況，為保證工作面安全生產(chǎn)，需采取深孔爆破進(jìn)行強(qiáng)制放頂，對(duì)深孔爆破參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并把握好以下操作環(huán)節(jié)。

（1）裝藥時(shí)，采用防靜電的PVC管作為載體，并且PVC管端頭設(shè)置卡槽方便連接，有效避免乳化膠炸藥裝填過(guò)程中存在較大的磨損，提高整體裝填速度、效率。

（2）采用連續(xù)耦合的裝藥設(shè)計(jì)，應(yīng)用雙雷管+雙導(dǎo)爆索的引爆方式，有效防止啞炮事件出現(xiàn)。6組12個(gè)炮孔全部實(shí)現(xiàn)一次爆破。

（3）強(qiáng)制放頂后，頂板冒落巖塊幾乎充滿后方采空區(qū)，有效減輕了工作面初次來(lái)壓頂板大面積垮落帶來(lái)的沖擊，保證了工作面人員和設(shè)備的安全。