基于深孔預(yù)裂爆破的工作面堅(jiān)硬頂板弱化技術(shù)研究

郭慶峰,宋江濤,靳毅軍,王學(xué)敏

(山西潞安化工集團(tuán) 慈林山煤業(yè)有限公司 慈林山煤礦,山西 長治 046000)

潞安礦區(qū)煤層上方分布有厚度大、強(qiáng)度高和完整性強(qiáng)的堅(jiān)硬頂板,給煤礦安全生產(chǎn)帶來了巨大的影響。不同于普通頂板條件,堅(jiān)硬頂板工作面回采期間礦山壓力顯現(xiàn)明顯。初次來壓步距、周期來壓步距和懸頂面積都呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢[1-3]。同時(shí),長期懸露的頂板垮落過程中通常伴隨有大的能量釋放和動(dòng)力顯現(xiàn),部分嚴(yán)重區(qū)域甚至出現(xiàn)大面積頂板冒落和人員傷亡情況,增加了巷道頂板管理、通風(fēng)與安全管理的難度[4-5]。為實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板工作面回采期間的安全穩(wěn)定,有必要采取相關(guān)技術(shù)措施改變堅(jiān)硬頂板的基本物理力學(xué)特性[6-7]。理論上講,采用人工致裂的方式增加頂板圍巖中的次生裂隙以及破壞頂板巖層的完整性，可以有效地改善堅(jiān)硬頂板工作面回采期間的礦山壓力顯現(xiàn)。目前，工程現(xiàn)場常用的方法主要包括高壓注水弱化和爆破弱化兩種基本類型[8-11]。其中,以水壓致裂為代表的高壓注水弱化頂板巖層技術(shù)在我國部分礦區(qū)得到了成功應(yīng)用。與水壓致裂技術(shù)相比,采取爆破的方式在堅(jiān)硬頂板中形成人為裂隙的深孔預(yù)裂爆破技術(shù)具有更為明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。深孔預(yù)裂爆破技術(shù)可以有效地切斷工作面頂板,堅(jiān)硬頂板破斷過程中冒落的矸石可以堆積在采空區(qū),起到墊層的作用,吸收工作面頂板冒落過程中產(chǎn)生的沖擊能量,繼而保證工作面在推進(jìn)過程礦山壓力的平穩(wěn)顯現(xiàn)[12-14]?，F(xiàn)階段,頂板預(yù)裂爆破技術(shù)主要應(yīng)用于普通堅(jiān)硬頂板巷道,在大斷面切眼方面的應(yīng)用相對較少。

本文以山西慈林山煤礦實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件為工程背景,選取15201工作面切眼為研究對象,開展深孔預(yù)裂爆破技術(shù)研究。首先采用理論分析方法對影響預(yù)裂效果的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合開采技術(shù)條件,確定炮孔布置、爆破方式和裝藥方式等關(guān)鍵參數(shù)。現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明:深孔預(yù)裂爆破技術(shù)有效地增加了頂板中的次生裂隙,巷道堅(jiān)硬頂板得到有效弱化,礦山壓力顯現(xiàn)平穩(wěn)。本研究取得的相關(guān)研究成果可以為其他具有類似生產(chǎn)地質(zhì)條件的礦井提供參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

慈林山煤礦隸屬于山西潞安化工集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司,目前回采15201工作面。如圖1所示,試驗(yàn)工作面15201工作面切眼位于東馬戶村南側(cè),公路、鐵路西側(cè)。15201工作面地面平均標(biāo)高+1 019.5 m,工作面平均標(biāo)高+821.8 m,平均埋深230.3 m。

圖1 15201工作面采掘工程平面圖Fig.1 Mining engineering plan of No.15201 working face

15201工作面切眼為矩形斷面,長60 m,寬7 m，高3.5 m。 15201工作面切眼上方3#煤層已回采完畢,本煤層開采過程中不受相鄰煤層的采動(dòng)影響。如圖2所示,工作切眼采用錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護(hù)形式,在切眼中部位置布設(shè)有木點(diǎn)柱進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。圖3為鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖,可以看出在15#煤層頂板上方9.2 m范圍內(nèi)賦存有堅(jiān)硬頂板,煤巖層完整性較好。鉆孔內(nèi)依次為泥質(zhì)灰?guī)r(2.3 m)、14#煤 (1.2 m)和石灰?guī)r (5.7 m)。在距離鉆孔開口處1.7 m 、2.3 m、2.5 m、 3.4 m和3.6 m等位置存在顯著的煤巖離層情況。在距離鉆孔孔口0.03～0.85 m、3.36～3.78 m、4.38 m、4.71 m、4.82 m、5.35～5.81 m、6.02～6.25 m、6.79 m、7.19 m、8.17 m、8.78 m等位置發(fā)現(xiàn)細(xì)微裂隙和破碎區(qū)。

1.2 深孔預(yù)裂爆破技術(shù)

深孔預(yù)裂爆破技術(shù)通過采用人工爆破的方法破壞原生堅(jiān)硬頂板的完整性,以實(shí)現(xiàn)增加原始巖體中的次生裂隙和節(jié)理的目的。在人工爆破和礦山壓力顯現(xiàn)的共同作用下,實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板的人工垮落。炸藥在爆炸瞬間產(chǎn)生的巨大壓力可以促使原始巖體溫度瞬間升高。在壓力和溫度的共同作用下,炮孔周圍一定范圍內(nèi)形成擴(kuò)腔區(qū)(圖4所示)。爆炸產(chǎn)生的沖擊波沿著炮孔徑向進(jìn)一步擴(kuò)散,直接作用于孔壁的壓力和溫度將呈現(xiàn)出降低的趨勢。在炮孔附近區(qū)域熔融狀的巖體將進(jìn)一步被壓縮,形成具有一定范圍的壓碎圈。隨著能量被壓碎圈破碎巖體結(jié)構(gòu)的吸收,衰減后的沖擊波將以應(yīng)力波的形式存在。由于巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度較低,應(yīng)力波作用下巖體中將產(chǎn)生徑向裂縫,形成環(huán)向作用的拉應(yīng)力場,并最終形成位于壓碎圈之外的裂隙圈。

圖2 切眼斷面支護(hù)圖Fig.2 Cross-section support diagram for open-off cut

圖3 切眼頂板鉆孔窺視結(jié)果示意圖Fig.3 Peeping results of roof drilling with open-off cut

圖4 預(yù)裂爆破后分區(qū)破壞示意圖[15]Fig.4 Partition failure after pre-splitting blasting[15]

圍巖在沖擊作用下沿著炮孔徑向位置承受壓應(yīng)力作用,沿著環(huán)向承受拉應(yīng)力的作用。在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的共同作用下,炮孔周圍巖體存在最大剪應(yīng)力。由于剪應(yīng)力的數(shù)值大于拉應(yīng)力,而巖石的抗剪強(qiáng)度顯著低于抗壓和抗拉強(qiáng)度,因此在炮孔周圍出現(xiàn)了一定范圍的剪切破壞區(qū)域。同時(shí),隨著沖擊波的衰減和能量釋放,在炮孔位置還存在環(huán)向拉伸裂隙。

2 深孔預(yù)裂爆破關(guān)鍵參數(shù)確定

2.1 壓碎圈半徑

深孔預(yù)裂爆破產(chǎn)生的沖擊波是形成壓碎圈的主要能量來源。為獲得深孔爆破壓碎圈的范圍,將沖擊波作用的巖體介質(zhì)視為不可壓縮的流體,采用式(1)-式(3)對壓碎圈的理論半徑進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

式中:rc為壓碎圈半徑,m;ρ0為炸藥的密度,kg/m3;vD為炸藥爆速,m/s;n為爆破過程中的壓力增大系數(shù),一般取n=10;η為爆轟產(chǎn)物的膨脹絕熱指數(shù),一般取3；K為裝藥徑向不耦合系數(shù);lc為裝藥軸向系數(shù),取1;σcd為巖體的單軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度;α為載荷傳播衰減系數(shù)；rb為炮孔半徑，m；b為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)；B為中間變量;μd為煤巖體動(dòng)態(tài)泊松比。

2.2 裂隙區(qū)半徑

爆破荷載作用下巖體處于一種復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)。由于巖體的抗拉強(qiáng)度顯著低于抗壓強(qiáng)度,沖擊波能量衰減轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波過程中,在壓碎圈外層將出現(xiàn)裂隙區(qū)。采用式(4)可以獲得裂隙區(qū)的理論半徑。

(4)

式中:rp為裂隙區(qū)半徑，m;σtd為巖體的單軸動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度;β為衰減指數(shù)。根據(jù)慈林山煤業(yè)15#煤層頂板巖性基本力學(xué)參數(shù)測試報(bào)告提供的相關(guān)數(shù)據(jù),取15#煤層頂板灰?guī)r抗壓強(qiáng)度取64.31 MPa，抗拉強(qiáng)度5.98 MPa,靜態(tài)泊松比取0.24,3#乳化炸藥參數(shù)(炸藥的密度)為1 194.265 kg/m3,炸藥爆速2 800 m/s,不耦合系數(shù)1.25,計(jì)算得破碎區(qū)半徑為0.57～0.69 m,裂隙區(qū)半徑為1.55～2.46 m。

2.3 預(yù)裂高度

為保證深孔預(yù)裂爆破后堅(jiān)硬頂垮落后可以填滿采空區(qū),采用式(5)計(jì)算得到最小放頂高度:

(5)

式中:h1為工作面開采高度,取3.2 m;KP為頂板初始碎脹系數(shù),取1.3～1.5。經(jīng)計(jì)算得h=6.4～10.6 m。綜合對比理論計(jì)算結(jié)果和頂板巖層賦存條件,確定在切眼頂板中部位置施工深度為9 m的預(yù)裂爆破孔。

3 現(xiàn)場工程實(shí)踐

3.1 炮孔布置

15201工作面共施工炮孔39個(gè),其中切眼炮孔29個(gè),運(yùn)輸和回風(fēng)順槽炮孔各5個(gè),施工孔總長374.4 m。炮眼布置情況參照圖5,炮孔有效長度為9.6 m,垂直切眼頂板方向,沿著走向布置,傾角為20°。運(yùn)輸順槽布置炮孔5個(gè),孔口距運(yùn)輸順槽外幫2～3 m,距切眼邊界布置的炮孔口的距離為2 m,布置方位與切眼布置一致?；仫L(fēng)順槽布置炮孔5個(gè),孔口距回風(fēng)順槽外幫2～3 m,布置方式與切眼保持一致。

3.2 爆破參數(shù)

為確保深孔預(yù)裂爆破技術(shù)的實(shí)施效果,采用ZLJ-350煤礦用坑道鉆機(jī),配合直徑60 mm鉆桿和直徑75 mm金剛石鉆頭在工作面支架安裝之前施工第一排炮孔。在工作面安裝調(diào)試完成并試采割煤之后,收回工作面支架的尾梁,保證工作面切眼內(nèi)足夠的施工空間后,進(jìn)行第1輪爆破。工作面工人按照鉆孔、裝藥和爆破的工序進(jìn)行爆破作業(yè)。安排4個(gè)班組按照“同時(shí)裝藥、分次爆破”的方式進(jìn)行爆破作業(yè)。為保證安全生產(chǎn),要求所有作業(yè)班組完成裝藥的炮孔必須完成爆破作業(yè)。具體爆破過程中采用“局部并聯(lián),總體串聯(lián)”的方式進(jìn)行起爆,要求每次起爆過程中起爆的炮孔不超過5個(gè)。采用直接裝藥、導(dǎo)爆索起爆的爆破工藝進(jìn)行工作面切眼預(yù)裂爆破。每個(gè)炮孔需要導(dǎo)爆索2根(并排),每根導(dǎo)爆索安裝1發(fā)雷管起爆,炮孔和炮孔之間采用串聯(lián)連線。如圖6所示,利用水泡泥和炮泥封孔。水泡泥在里，炮泥在外,封孔長度3.6 m。炮泥直徑65 mm,封孔3.6 m,圓柱形,由黃土和黃沙混合后制作而成。表1為單孔炸藥用量及封孔材料用量。

圖5 炮孔布置示意圖Fig.5 Blast hole arrangement

1-導(dǎo)爆索;2-炸藥卷;3-炮泥;4-水炮泥;5-雷管;6-腳線圖6 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Charging construction

3.3 鉆孔施工機(jī)具及炸藥選型

工作面炮孔鉆機(jī)采用ZLJ-350煤礦用坑道鉆機(jī),并配備Φ60 mm鉆桿,金剛石鉆頭8個(gè),鉆頭直徑75 mm,鉆進(jìn)速度為5～7 m/h。PN-A型炮泥機(jī)1臺(tái)。爆破所用炸藥為三級煤礦許用乳化炸藥,藥卷規(guī)格為Φ60 mm×200 mm(0.3kg/卷)。所用雷管為煤礦許用8#普通瞬發(fā)電雷管,如圖7所示。

表1 單孔用量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Single hole dosage

圖7 ZLJ-350電動(dòng)鉆機(jī)和PN-A型炮泥機(jī)Fig.7 ZLJ-350 electric drilling rig and PN-A stemming making machine

3.4 深孔預(yù)裂爆破效果檢驗(yàn)

采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對工作面切眼頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破處理后,頂板巖層的完整性得到有效降低(圖8所示)。同時(shí),在工作面推進(jìn)過程中未出現(xiàn)明顯的礦壓顯現(xiàn)活動(dòng)。初次來壓步距由30 m降低到25 m。隨著工作面推進(jìn),工作面上方頂板垮落情況良好,冒落矸石能夠較好地充填采空區(qū)。

圖8 爆破后鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Drilling structure after blasting

4 結(jié)論

為解決慈林山煤礦15201堅(jiān)硬頂板切眼管理問題,在綜合比較現(xiàn)有頂板弱化技術(shù)的基礎(chǔ)上,選擇深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對工作面頂板進(jìn)行處理。采用理論計(jì)算和工程實(shí)踐相結(jié)合的研究方法,對預(yù)裂爆破的相關(guān)參數(shù)和爆破施工工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究,得到以下主要結(jié)論:

1)15201堅(jiān)硬頂板切眼碎區(qū)半徑為0.57～0.69 m,裂隙區(qū)半徑為1.55～2.46 m;

2)15201堅(jiān)硬頂板切眼理論計(jì)算有效預(yù)裂高度為6.4～10.6 m,結(jié)合煤層上覆巖層賦存情況,最終確定預(yù)裂高度為9 m;

3)采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)有效地降低了堅(jiān)硬頂板的完整性,取得了良好的控制效果。