爆破切頂卸壓技術(shù)在小煤柱留巷中的應(yīng)用

王 帥

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晟泰礦山技術(shù)服務(wù)分公司， 山西 晉城 048000)

隨著礦井煤炭開采強度加大，為節(jié)約煤炭資源，延長礦井服務(wù)年限，必須減小煤柱尺寸。但經(jīng)過現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)，小煤柱留巷鄰近工作面的側(cè)向支承壓力和現(xiàn)采工作面的超前壓力在煤柱上方疊加引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致留設(shè)的小煤柱壓酥破壞、留巷變形量大、巷道維護(hù)成本高，留巷常常失敗[1-2]. 因此，開展了小煤柱留巷爆破切頂卸壓技術(shù)研究，壓裂小煤柱深部圍巖，將煤柱支承壓力釋放、轉(zhuǎn)移至其他區(qū)域，以改善巷道應(yīng)力環(huán)境，保證小煤柱留巷效果。

1 工程概況

晟泰公司青洼煤業(yè)2104工作面開采煤層為2號煤，煤層中夾0～1層夾矸，傾角為5°～7°，平均6°，硬度f=2.7～3.2，煤層平均厚度為4.66 m，穩(wěn)定可采?；卷敒槟鄮r，厚3.25 m；直接頂為粉砂巖，厚4.0 m；直接底為泥巖，厚1.5 m；基本底為粉砂巖，厚7.0 m. 圍巖柱狀圖見圖1.

圖1 圍巖柱狀圖

2104綜放工作面北部為相鄰煤礦采空區(qū)，南部為2103工作面。21041巷為留巷巷道，巷道尺寸為寬4.0 m×高2.7 m，留有5 m寬小煤柱護(hù)巷，受2103、2104工作面雙重采動影響，導(dǎo)致小煤柱疊加應(yīng)力集中、巷道易變形失穩(wěn)，巷道布置見圖2.

圖2 巷道布置圖

2 爆破切頂卸壓技術(shù)

為保證小煤柱留巷效果，減弱和轉(zhuǎn)移工作面超前支承壓力和側(cè)向支承應(yīng)力對21041巷的影響，保證留巷效果，在2103工作面回采前，對21031巷進(jìn)行切頂卸壓爆破。

2.1 爆破參數(shù)設(shè)計

1) 鉆孔角度。

鉆孔傾角α是指在巷道斷面圖中，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。傾角α略偏向采空區(qū)能夠縮短煤柱上方頂板懸臂梁長度，減少對煤柱上方頂板破壞。傾角β過小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。通過理論分析、數(shù)值計算、現(xiàn)場試驗等方法，研究得出，當(dāng)α=10°、β=75°時，綜合效果最佳。理論上鉆孔開孔處與巷道煤柱側(cè)巷幫的距離越小越好[3]，但由于頂板鉆機(jī)需要作業(yè)空間,方便頂板鉆機(jī)施工等客觀因素，結(jié)合21041巷頂板支護(hù)情況及鉆機(jī)設(shè)備等情況，確定鉆孔位置距煤柱幫0.8 m處。

2) 鉆孔直徑和間距。

所選炸藥d45 mm，結(jié)合工作面頂板巖性、深孔爆破預(yù)裂經(jīng)驗以及施工進(jìn)度等要求，設(shè)計鉆孔d75 mm. 在施工鉆孔時，選用d75 mm鉆頭，d63 mm鉆桿。鉆孔間距為2 m，可根據(jù)具體爆破效果作相應(yīng)調(diào)整。

3) 切頂高度。

2103工作面頂板堅硬巖層分布見表1，經(jīng)過分析得出，C5粉砂巖為主關(guān)鍵層，主關(guān)鍵層控制著其上所有巖層，它們隨主關(guān)鍵層運動而同步運動，協(xié)調(diào)變形，根據(jù)關(guān)鍵層理論，爆破切斷主關(guān)鍵層能夠達(dá)到最佳的卸壓效果，因此切頂高度需超過主關(guān)鍵層，切斷21031巷上方與頂板主關(guān)鍵層聯(lián)系，才能起到最佳卸壓作用。因巷道高度為2.7 m，頂板上有約1.5 m厚的頂煤，因此爆破垂直切頂高度應(yīng)為h=1.5+4.0+3.25+2.5+4.0+0.13+2.7=18.08 m. 結(jié)合鉆孔傾角β=75°，爆破鉆孔深度(斜長)為H=18.08/sinβ=18.08/sin75°=18.72 m，鉆孔布置見圖3.

表1 2103工作面頂板上覆巖層分布表

圖3 切頂鉆孔布置示意圖

4) 裝藥密度與裝藥結(jié)構(gòu)。

炸藥為礦用三級乳化炸藥，炸藥d45 mm，長L=500 mm，重量m=0.8 kg. 根據(jù)工程經(jīng)驗，不耦合系數(shù)為1.30

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，深孔爆破封孔長度不低于孔深的1/3. 因此，設(shè)計裝藥長度12 m，封孔長度6.72 m. 一般爆破工程中，泥巖裝藥集中度取0.75 kg/m，細(xì)粒砂巖裝藥集中度取1.3 kg/m，據(jù)此計算裝藥量為2.34×0.75+9.53×1.3=14.14 kg，共計使用18根藥卷。爆破鉆孔內(nèi)采用不耦合方式間隔裝藥，采用雙雷管，雙導(dǎo)爆索引爆，每一根導(dǎo)爆索均采用瞬發(fā)電雷管起爆，2個雷管采用并聯(lián)連接。

2.2 爆破快速裝藥技術(shù)

1) 裝藥前準(zhǔn)備工作。

為避免因塌孔引起裝藥安全風(fēng)險，每次裝藥前必須對炮孔的狀況進(jìn)行確認(rèn)，對于不能順利探到底的炮孔禁止裝藥，可暫時擱置，待重新套孔后再次探測，直至滿足要求后可進(jìn)行爆破施工。為便于操作，設(shè)計了探孔組合桿，見圖4. 探桿由兩部分組成，探頭長度400 mm，木制，頂端為陀螺型，以方便操作，探桿為四分鋼管加工，每節(jié)1 m，用接箍連接。

圖4 探桿示意圖

2) 裝藥方式。

傳統(tǒng)的裝藥方式是將乳化炸藥包裝拆開，將炸藥裝進(jìn)注藥槍，通過注藥槍將乳化炸藥注射進(jìn)爆破管，該方式操作流程復(fù)雜，耗時較長，且存在安全隱患。為提高施工效率及施工效果，設(shè)計了PVC材質(zhì)，帶有雙向聚能穴的爆破管。該爆破管由主體和滑槽蓋板組成，斷面為橢圓形。裝藥時將乳化炸藥兩端剪開，連炸藥包裝皮一起按壓進(jìn)入聚能管，扣上蓋板完成裝藥，該方式省時省力，安全系數(shù)和裝藥效率大大提高。

3) 安裝方式。

聚能管之間采用連接件相連，既能保證連接強度，又可彎曲一定撓度。在接口位置安裝“十字”型倒刺，防止聚能管在安裝過程中下墜，以上措施奠定了快速裝藥的基礎(chǔ)。炸藥可在施工巷道內(nèi)一次性裝藥完畢，然后整體推送進(jìn)爆破孔，經(jīng)實驗室模擬，單孔裝藥時間約6分鐘，較傳統(tǒng)炸藥安裝方式時間縮短了70%以上。

3 現(xiàn)場試驗及效果考察

3.1 現(xiàn)場施工組織

采用“三八”制作業(yè)，每班8 h，每班3人。采用快速裝藥技術(shù)后，炸藥可一次性裝藥完畢，然后整體推送進(jìn)爆破孔。單孔裝藥時間約6 min，較傳統(tǒng)炸藥安裝方式時間縮短了70%以上。

3.2 煤柱應(yīng)力觀測

1) 測點布置。

為掌握煤柱內(nèi)部應(yīng)力變化，對窄煤柱進(jìn)行鉆孔應(yīng)力監(jiān)測，共布置7個測點，7個測點深度分別為1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m，測點間距為5 m.

2) 煤柱應(yīng)力觀測分析。

爆破切頂后煤柱應(yīng)力變化見圖5. 由圖5可知，實施爆破切頂后，沿工作面傾向，窄煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力變化隨測點距煤柱幫距離的變化而變化，峰值基本出現(xiàn)在2.5 m范圍處，5 m煤柱應(yīng)力分布較均勻，承載力較強[4].

圖5 爆破切頂后煤柱應(yīng)力變化圖

3.3 巷道變形觀測

在21041巷布置表面位移測站，位移變化見圖6. 由圖6可知，隨著2103工作面回采推進(jìn)，21041巷變形逐漸增加，當(dāng)工作面推過測站80 m后，巷道變形逐漸趨于穩(wěn)定，最終21041巷頂板沉降值不超過50 mm，底鼓量不超過150 mm，兩幫移近量不超過200 mm，巷道變形量較小，滿足巷道正常使用要求。

圖6 21041巷位移變化圖

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)青洼煤業(yè)工作面頂板條件進(jìn)行了爆破切頂卸壓的鉆孔設(shè)計、切頂高度設(shè)計、裝藥設(shè)計等，并提出了爆破快速裝藥技術(shù)，該技術(shù)省時省力，安全系數(shù)和裝藥效率大大提高。

2) 采用爆破切頂卸壓技術(shù)有效地轉(zhuǎn)移和釋放了煤柱支承壓力，小煤柱應(yīng)力分布較均勻，承載力較強。21041巷頂板沉降值不超過50 mm,底鼓量不超過150 mm，兩幫移近量不超過200 mm，巷道變形量較小，爆破切頂卸壓效果顯著，確保了5 m小煤柱的留巷成功。