煤礦井下深孔爆破技術(shù)的應(yīng)用研究

周密林

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006)

引 言

煤礦井下綜采作業(yè)過(guò)程中對(duì)巷道頂板的管理是確保煤礦井下綜采作業(yè)安全的核心，隨著煤礦綜采技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤炭的綜采作業(yè)深度不斷提升，井下巷道頂板的復(fù)雜程度不斷加大，特別是在井下厚煤層綜采作業(yè)過(guò)程中，頂板硬度大、厚度高、平衡結(jié)構(gòu)向著頂板深處轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致頂板無(wú)法在礦壓波動(dòng)下進(jìn)行自行垮落，經(jīng)常出現(xiàn)頂板垮落不及時(shí)而導(dǎo)致的頂板懸臂過(guò)長(zhǎng)、大面積空頂、頂板突然垮落等，給煤礦井下的綜采作業(yè)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的隱患[1]。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)堅(jiān)硬頂板的預(yù)處理，使其按照一定的方案和規(guī)律垮落，確保綜采作業(yè)安全便成了煤礦生產(chǎn)企業(yè)不斷研究的難題。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合煤礦井下厚煤層堅(jiān)硬頂板的特殊結(jié)構(gòu)，提出了一種新的煤礦井下深孔爆破技術(shù)，其靈活地運(yùn)用深孔爆破的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板預(yù)裂縫位置的控制，滿足不同情況下的頂板可控垮落需求，不僅極大地提升了綜采作業(yè)期間的頂煤出采率，而且也能夠有效地對(duì)頂板來(lái)壓的強(qiáng)度進(jìn)行緩沖，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，煤礦井下深孔爆破技術(shù)方案能夠有效地處理頂板硬度大、無(wú)法自行垮落的現(xiàn)象，頂煤出采率提升24.1%以上，給煤礦井下的綜采作業(yè)安全和綜采經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)了極大的提升。

1 深孔爆破方案分析

本文以煤礦井下典型的厚煤層綜采作業(yè)面為研究對(duì)象，該綜采面的平均埋深為670 m，綜采面長(zhǎng)度約為755 m，傾斜部分的長(zhǎng)度約為271 m，巷道的一側(cè)為采空區(qū)，一側(cè)為待采區(qū)域，巷道直接頂為3.41 m厚的泥沙巖，頂板厚度為11.12 m，巖層的抗拉強(qiáng)度為8.4 MPa，巖層結(jié)構(gòu)較硬，實(shí)際測(cè)算的初次垮落步距達(dá)到了47 m，極易出現(xiàn)超長(zhǎng)懸空頂，一旦發(fā)生突然垮塌，容易導(dǎo)致瓦斯突出、人員傷亡等事故。由于該煤層巷道頂板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、韌性強(qiáng)，因此傳統(tǒng)的水力壓裂頂板的控制方案不僅效率較低，而且難以起到顯著的預(yù)裂效果，因此本文提出了深孔爆破欲裂頂板方案。

由于煤礦井下綜采面頂板的割煤高度、放煤高度等直接影響到頂板垮落后的充填效果，影響到井下綜采面的施工難度[2]，因此在進(jìn)行預(yù)爆破設(shè)計(jì)時(shí)一般以垮落的頂板能夠?qū)⒉煽諈^(qū)進(jìn)行完全充填為目標(biāo)，此時(shí)放頂板爆破時(shí)的距離HX可表示為式(1)[3]。

(HX+HF)ξ=HC+HF+HX

(1)

式中，HC為井下割煤高度，取3.4 m；HF為井下放煤高度為，取6.1 m；ξ為頂板巖層的碎脹系數(shù)，取1.2。

由此計(jì)算可知，在此狀態(tài)下頂板的爆破距離設(shè)置為10.9 m。

由于一般井下綜采面的切眼上方會(huì)有一定厚度的頂煤，因此實(shí)際爆破孔的選擇需要根據(jù)頂煤厚度H和計(jì)算出的爆破距離HX進(jìn)行設(shè)置，實(shí)際的爆破距離為(H+HX)。在進(jìn)行爆破孔設(shè)置時(shí)，與煤層之間的傾角設(shè)置為45°，爆破孔的深度設(shè)置為21 m。在對(duì)爆破孔設(shè)置時(shí)需要根據(jù)頂板巖層的實(shí)際厚度進(jìn)行選擇，一般頂板厚度小于3 m時(shí)設(shè)置一排爆破孔即可，當(dāng)頂板厚度超過(guò)3 m時(shí)就需要設(shè)置2排以上的爆破孔，根據(jù)該井下巖層的實(shí)際特點(diǎn)設(shè)置2排爆破孔，一排設(shè)置在進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)，一排設(shè)置到回風(fēng)巷一側(cè)，爆破孔的仰角和切眼方向呈45°角，且朝著綜采面綜采方向有9.8°的擺角，爆破孔的設(shè)置如圖1所示。

圖1 煤礦井下爆破孔設(shè)置示意圖

完成爆破后煤礦井下綜采面的充填情況如圖2所示。

圖2 爆破后充填效果示意圖

由圖2可知，采用雙排爆破方案后，綜采面的頂板上側(cè)能夠產(chǎn)生明顯的垮落區(qū)域，頂煤及巖層能夠完全垮落，當(dāng)綜采面的支護(hù)液壓支架隨著綜采作業(yè)的進(jìn)行，逐漸前移時(shí)，垮落的頂煤和頂板能夠及時(shí)將采空區(qū)域進(jìn)行充填，而且頂煤位于充填區(qū)域的前端，能夠進(jìn)一步提升頂煤的出采率，根據(jù)實(shí)際分析驗(yàn)證，該方案下頂煤的出采率可以提升24.1%以上，能夠顯著提升綜采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。

2 深孔爆破穩(wěn)定性分析

為了對(duì)深孔爆破后巷道頂板來(lái)壓效果進(jìn)行分析，本文利用礦壓數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備[4]，對(duì)深孔爆破后的區(qū)域進(jìn)行綜采過(guò)程的連續(xù)性礦壓和液壓支架支護(hù)時(shí)的工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在爆破后頂板初次來(lái)壓的過(guò)程中，綜采面液壓支架的支護(hù)阻力大多數(shù)表現(xiàn)出了上升的趨勢(shì)，部分液壓支架的支護(hù)阻力已經(jīng)超過(guò)了設(shè)定的7 000 kN的額定工作阻力，達(dá)到了開(kāi)啟安全閥進(jìn)行泄壓的階段，但達(dá)到泄壓的支架數(shù)量極少而且持續(xù)時(shí)間較短，表明了對(duì)頂板來(lái)壓的控制效果較好，滿足井下安全支護(hù)的需求。

圖3 煤礦井下液壓支架支護(hù)阻力變化示意圖

3 結(jié)論

針性煤礦井下厚煤層綜采作業(yè)面頂板硬度大、厚度高，難垮落，給煤礦井下綜采作業(yè)安全帶來(lái)嚴(yán)重隱患的現(xiàn)狀，本文提出了一種新的以人工對(duì)頂板進(jìn)行深孔爆破，控制頂板垮落的技術(shù)，其靈活的運(yùn)用深孔爆破的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板預(yù)裂縫位置的控制，滿足不同情況下的頂板可控垮落需求，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

a) 進(jìn)行預(yù)爆破設(shè)計(jì)時(shí)一般以垮落的頂板能夠?qū)⒉煽諈^(qū)進(jìn)行完全充填為目標(biāo)，確保爆破的經(jīng)濟(jì)性和安全性；

b) 實(shí)際爆破孔的選擇需要根據(jù)頂煤厚度H和計(jì)算出的爆破距離HX進(jìn)行設(shè)置，實(shí)際的爆破距離為(H+HX)，頂板厚度小于3 m時(shí)設(shè)置一排爆破孔即可，當(dāng)頂板厚度超過(guò)3 m時(shí)就需要設(shè)置2排以上的爆破孔；

c) 該方案下頂煤的出采率可以提升24.1%以上，能夠顯著提升綜采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)爆破后頂板初次來(lái)壓持續(xù)時(shí)間段，壓力小，表明了深孔爆破方案能夠有效地控制來(lái)壓強(qiáng)度，提升煤礦井下的綜采作業(yè)安全。