綜放工作面深孔聚能爆破卸壓技術研究

焦云飛

（晉城藍焰煤業(yè)股份有限公司 成莊礦，山西 晉城 048000）

0 引 言

成莊礦主采山西組3 號煤層，煤層平均厚度約6.0 m，工作面采用多巷布置，綜采工作面采高大、工作面長、推進速度快，礦壓顯現(xiàn)強烈。復用巷道的維護一直是困擾礦井安全生產的難題，通過提前深孔預裂頂板，阻斷采空區(qū)上覆巖層的礦山壓力向煤柱方向傳遞，減小或消除復用巷道的有害變形，保證圍巖的整體完整性，避免巷道圍巖變形破壞后進行二次甚至多次巷修，降低了巷道的支護難度和支護成本，保障工作面安全高效生產，提出綜采工作面深孔聚能爆破卸壓技術[1-4]。

1 工作面概況

5334 工作面位于一水平五盤區(qū)，煤層為3 號煤層，走向長度共計1 270 m，傾斜長度221 m，平均煤厚6 m。該工作面位于五盤區(qū)大巷以北，5314 大采高工作面以西，5316 工作面以東。5314工作面已回采完畢，5316 工作面還未形成。工作面采用“兩進一回”方式布置巷道，工作面巷道即53341 巷（斷面5 m×3.2 m），53342 巷（斷面5.0 m×3.2 m）、53343 巷 （斷面 5.0 m×3.2 m） 及切眼（斷面8.5 m×3.0 m），主要采用全錨支護，部分巷道采用錨網(wǎng)支護。53341 巷為主進風巷（運輸巷）、53343 巷為輔助進風巷（皮帶巷）、53342 巷為回風巷，5334 工作面巷道布置如圖1 所示。

圖1 5334 工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of 5334 working face

2 深孔聚能爆破卸壓技術原理

深孔爆破預裂卸壓的實質是通過在頂板內布置爆破孔，借助聚能爆破實現(xiàn)定向切縫，減小采空區(qū)側懸頂長度，達到復用巷道卸壓目的，如圖2 所示。其中，定向預裂是卸壓護巷的關鍵和基礎。采用普通裝藥爆破工藝，爆破沖擊波易向孔內四周擴散，壓力作用分散，爆轟能量很大部分被消耗在破碎巖石上，裂隙產生沒有特定規(guī)律，爆轟能量作用如圖3（a） 所示。頂板深孔聚能爆破技術充分利用巖石“抗壓不抗拉”的特性，提出雙向聚能張拉爆破成型技術，聚能爆破作用如圖3（b） 所示。現(xiàn)場實施過程中，爆轟能量按照預先設定的方向瞬間釋放，形成強力氣楔力并集中作用于設定方向，巖層受到的張拉力遠大于其抗壓強度，孔內貫通裂隙產生［5-7］，如圖3 所示。

圖2 爆破預裂卸壓原理示意Fig.2 Pressure relief principle of blasting pre-splitting

圖3 2 種爆破模式下頂板巖體裂隙發(fā)育趨勢預測Fig.3 Prediction of crack development trend of roof rock mass under two blasting modes

3 鉆孔參數(shù)設計

3.1 鉆孔位置

鉆孔位置S 即鉆孔開孔處與巷道煤柱側巷幫的距離，理論上鉆孔位置S 越小越好，但由于頂板鉆機需要作業(yè)空間和方便頂板鉆機施工等客觀因素，鉆孔位置S 通常需要取一定數(shù)值。結合53343 巷頂板支護情況及對履帶式鉆機設備等情況的調研，確定爆破鉆孔與煤柱幫距離S=700 mm，如圖4 所示。

圖4 鉆孔位置示意Fig.4 Drilling position

3.2 鉆孔傾角α 和β

鉆孔傾角α 是鉆孔與豎直方向的夾角，傾角β是指在巷道中線剖面圖中，鉆孔與水平方向的夾角。爆破鉆孔傾角α 要考慮爆破后，預裂線上方基本頂懸露長度等影響因素，理論上傾角α 略偏向采空區(qū)效果最佳，不僅能夠最大程度的縮短煤柱上方頂板懸臂梁長度，而且能夠減少對煤柱上方頂板完整性的破壞，但53343 巷為皮帶巷，鉆機施工條件受限，因此傾角α 設計為0。傾角β 過小則需要增加爆破孔深度及炸藥量，過大則給快速裝藥操作造成很大的困難，綜合以上情況及以往施工經(jīng)驗，設計β=75°，如圖5 所示。

圖5 爆破鉆孔傾角β 示意Fig.5 Angle β of blasting borehole

3.3 爆破高度

根據(jù)爆破預裂卸壓技術原理，影響復用巷道穩(wěn)定的主要因素為側向支承壓力的分布規(guī)律，側向支承壓力的形成是采空區(qū)基本頂將其自身重量及其承受的載荷向采空區(qū)周邊轉移的結果，下位基本頂?shù)拇蟛糠州d荷主要由采空區(qū)承擔，而上位不易垮落的基本頂破斷后繼續(xù)以巖梁的形式將載荷傳遞至采空區(qū)周邊，是影響側向支承壓力分布的重要影響因素。采空區(qū)上方頂板殘留邊界主要位于基本頂內，因此確定爆破高度為基本頂?shù)纳线吔纭?/p>

基本頂厚度計算可采用以下公式：

式中：mz 為基本頂厚度，m；h為采高，取6.3 m；Sa 為巖梁觸矸處沉降值，一般取0.15 ～0.25，此次取值0.2；Ka 為巖梁觸矸處冒落巖層碎漲系數(shù)，一般取1.3 ～1.5；泥巖取1.3。

代入公式計算，mz=20.33 m，因此爆破高度H0=20.33 m，炮孔深度L=H0/sinβ=20.33/sin（75°）=21.05 m。

4 深孔聚能爆破卸壓效果評價

為驗證頂板深孔聚能爆破效果，在53342 巷內布置多組表面位移測站，取其中一處巷道變形情況進行說明，頂?shù)装寮皟蓭鸵平咳鐖D6 所示。隨著工作面逐步推進，巷道圍巖變形量均呈增大趨勢。與未采取卸壓措施巷道相比，卸壓段巷道兩幫移近量最大值由350 mm 降低為180 mm，頂?shù)装逡平孔畲笾涤?00 mm 降低為450 mm。通過現(xiàn)場監(jiān)測表明，采取頂板深孔爆破卸壓措施有效控制了復用巷道圍巖有害變形，為礦井類似條件下復用巷道維護提供寶貴經(jīng)驗。

圖6 爆破卸壓前后巷道圍巖變形曲線Fig.6 Deformation curve of surrounding rock before and after blasting pressure relief

5 結 語

通過在53343 巷煤柱側提前進行頂板深孔聚能爆破施工，減小采空區(qū)側懸頂長度，減弱上覆巖層作用于區(qū)段煤柱的強度，達到復用巷道卸壓的目的。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測表明，與未采取卸壓措施巷道相比，53342 巷卸壓段巷道兩幫移近量最大值由350 mm 降低為180 mm，頂?shù)装逡平孔畲笾涤?00 mm 降低為450 mm，頂板深孔聚能爆破卸壓有效控制了復用巷道變形，取得良好的經(jīng)濟效益。