堅硬頂板切頂預(yù)裂爆破在錦程礦10-201工作面的應(yīng)用

鄧桂波

(山西焦煤霍州煤電錦程煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041000)

錦程礦10-201綜放工作面設(shè)計走向長度634 m，傾向長度127 m，開采煤層為9+10號合并煤層，采用綜放工藝，煤層厚度6.2～7.2 m，其中夾矸2.6 m，煤層傾角0～16°，平均傾角8°，直接頂厚度0.25 m，為灰質(zhì)泥巖，老頂為K2石灰?guī)r，最大厚度10.05 m，K2石灰?guī)r抗壓強度38.4 MPa，巖層堅硬且穩(wěn)定，在工作面初采期間易造成采空區(qū)大面積懸頂，給工作面的安全生產(chǎn)帶來較大隱患。因此，為了回采期間的安全生產(chǎn)，采用深孔爆破來防止或減弱大面積頂板來壓。

1 工作原理

根據(jù)9+10號煤層具體情況，最初提出的水壓致裂強度不足，而且局部老頂存在裂隙，無法切斷頂板；考慮到K2石灰?guī)r的硬度和厚度，力臂鋸切割緩慢而且深度不足。最終確定10-201綜放工作面采用切頂預(yù)裂爆破的方式在工作面回采前弱化頂板。切頂預(yù)裂爆破的主要作用為：切斷K2石灰?guī)r基本頂，減小初次來壓步距。即在工作面切眼和正副兩巷以合適的間距向頂板打設(shè)深孔，在工作面回采前對鉆孔裝藥并爆破。通過切頂預(yù)裂爆破的方式來切斷基本頂，從而減小初次來壓的步距。

2 工藝技術(shù)

2.1 打 孔

工作面切眼擴刷完成后即可打孔，此時鉆機擺放和挪移比較方便。工作面需布置鉆孔長度按135 m計算(切眼長度127 m+副巷長度3.5 m+正巷長度4.5 m)，鉆孔間距1 000 mm，共需布置136個炮孔，編號分別為A1～A136。采用CMQ1-1200/30煤礦用切頂鉆機鉆孔，鉆桿每根長1.0 m，鉆頭直徑50 mm。

2.1.1 鉆孔位置

如圖1所示，根據(jù)切頂預(yù)裂的原理，鉆孔開口位置距離煤壁越近越好，但考慮施工鉆孔時，切頂鉆機需要操作空間，所以確定爆破鉆孔與煤柱幫距離為200 mm。

圖1 鉆孔位置S、鉆孔傾角α示意

2.1.2 鉆孔傾角

如圖1、圖2所示，鉆孔傾角α為鉆孔與煤壁的夾角，仰角β為鉆孔與回采方向的夾角。

圖2 鉆孔傾角β示意

結(jié)合10-201兩巷道及切巷切頂高度及切頂鉆機施工位置，確定鉆孔傾角β向工作面古塘側(cè)傾斜，即α=78 °，β=78 °。

2.1.3 鉆孔深度

根據(jù)切頂預(yù)裂技術(shù)原理，影響基本頂初次來壓的主要因素為基本頂?shù)臄嗔丫嚯x。確定切頂孔應(yīng)穿透K2石灰?guī)r，根據(jù)工作面地質(zhì)綜合柱狀圖，切頂高度按照煤層結(jié)構(gòu)最大厚度確定為：頂煤最大厚度(煤層最大厚度-巷道高度)+偽頂最大厚度+基本頂最大厚度=(7.2-2.8)+0.25+10.05=14.7 m。

鉆孔深度：以切頂高度為基準，考慮α、β角，保證穿透K2石灰?guī)r0.1 m，使初次來壓步距減小。

鉆孔深度計算公式：

(1)

式中：H0為巷道頂板K2灰?guī)r上邊界高度，H0=(7.2-2.8)+0.25+10.05=14.7 ；α為鉆孔與煤壁的夾角，α=78°；β為鉆孔與回采方向的夾角，β=78°；經(jīng)計算，切頂鉆孔深度為15.5 m。

2.1.4 鉆孔直徑和鉆孔間距

在施工頂板爆破鉆孔時，切頂鉆機選用直徑50 mm的鉆頭和直徑42 mm的鉆桿。一般情況下鉆孔間距為鉆孔直徑的10～15倍，即500～750 mm。為達到切頂預(yù)裂效果，鉆孔直徑為50 mm，鉆孔間距為1 000 mm時最佳。

2.2 裝 藥

通過切頂預(yù)裂技術(shù)來切斷頂板，其效果好壞取決于裝藥密度、爆破孔的間距、裝藥不耦合系數(shù)、爆破孔的封藥長度以及一次性起爆的爆破孔數(shù)量。

2.2.1 炸藥選型

根據(jù)切頂預(yù)裂的需要，結(jié)合我礦實際情況，選用礦用三級乳化炸藥，炸藥直徑32 mm，長200 mm，重量0.2 kg。

2.2.2 不耦合系數(shù)

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，不耦合系數(shù)K的合理范圍為1.30～1.80。根據(jù)前文所述，不耦合系數(shù)K=50/32≈1.6，在合理范圍以內(nèi)，符合要求。

2.2.3 裝藥集中度

一般情況下，預(yù)裂爆破裝藥量合適時，既可造成平整貫通的切頂縫，又能使藥包附近的巖體不受破壞。預(yù)裂孔的裝藥，應(yīng)剛好能使K2灰?guī)r產(chǎn)生裂縫，但又不對圍巖造成較大的破壞。裝藥集中度取值范圍為0.45～0.7 kg/m。

根據(jù)我礦10-201工作面基本頂?shù)膸r性，裝藥集中度取0.66 kg/m。

2.2.4 單孔裝藥量

依據(jù)地下工程爆破經(jīng)驗公式，單孔裝藥量為：

(2)

式中：Q為單孔裝藥量，kg/孔；H為鉆孔深度，取15.5 m；k為裝藥系數(shù)，取2/3；q為裝藥集中度，取0.66 kg/m。

代入上式計算得：單孔裝藥量Q=6.82 kg。換算成藥卷數(shù)量N=6.82/0.2=34卷。

2.3 封孔結(jié)構(gòu)

鉆孔裝藥遵循以下原則：①炮眼內(nèi)裝藥段長度9.8 m，采用煤礦許用三級水膠炸藥和煤礦許用毫秒延期電雷管，每孔炸藥34卷；②采用D型聚能管裝藥，聚能管直徑32 mm，每節(jié)長度2 m，每孔5節(jié)，聚能方向與預(yù)裂鉆孔方向一致；③自上而下裝藥結(jié)構(gòu)為“9+7+7+6+5”，每部分2發(fā)電雷管起爆；④封孔長度5.7 m，采用黃土或粘土炮泥封孔；⑤采用正向裝藥，孔內(nèi)電雷管并聯(lián)連接，孔間串聯(lián)連接，一次爆破10個預(yù)裂孔；⑥在直巷中爆破，爆破母線長度不小于110 m；在拐彎巷道中爆破，爆破母線長度不小于85 m。裝藥及封孔示意見圖3。

圖3 裝藥及封孔示意

2.4 起 爆

在工作面支架穩(wěn)裝前完成鉆孔施工；在支架穩(wěn)裝后、工作面生產(chǎn)前先完成鉆孔裝藥、封孔和爆破。

3 切頂預(yù)裂效果

1) 采用切頂預(yù)裂爆破后，初次來壓由尾巷至頭巷分段垮落，初次來壓步距平均為28 m，初次來壓期間煤壁片幫現(xiàn)象不明顯，來壓時強度較小，效果明顯。初次來壓步距減小，提前進行放頂煤作業(yè)，提高頂煤回收率，減少資源浪費。

2) 減小初次來壓步距可以削弱基本頂垮落時產(chǎn)生沖擊波及風暴，降低了人員受傷和設(shè)備損壞的風險。

4 結(jié) 語

綜放工作面切頂預(yù)裂爆破技術(shù)適用于存在堅硬頂板且不易垮落的采煤工作面。錦程礦10-201綜放工作面初采時采用切頂預(yù)裂爆破取得了良好的效果，避免了在初次來壓時產(chǎn)生的強烈沖擊波及風暴，降低了人員受傷和設(shè)備損壞的風險，且可以提前進行放頂煤作業(yè)，提高頂煤回收率，減少資源浪費。