同忻煤礦大采高綜放工作面小煤柱巷道爆破切頂技術(shù)研究

童 榮，柴澤宇，孟德祺，白文杰

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 同忻煤礦山西有限公司，山西 大同 037000)

隨著煤礦開采深度不斷增加，要求的煤柱寬度越來越大，顯著影響煤炭資源回收率；另外，不合理的煤柱會(huì)引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致巷道大變形，出現(xiàn)沖擊地壓等災(zāi)害，威脅煤礦安全生產(chǎn)。常用的卸壓法主要有兩大類：水壓致裂法和爆破法。水壓致裂法是通過施工鉆孔至特定的目標(biāo)層區(qū)域，通過水壓在目標(biāo)層內(nèi)創(chuàng)造出新的裂隙，從而達(dá)到弱化巖層卸壓的目的。而爆破法在煤礦井下圍巖卸壓中應(yīng)用更廣，按爆破深度可分為淺孔、中深孔及深孔爆破，按爆破方式分為普通爆破和定向爆破，后者主要基于雙向聚能爆破原理，采用雙向聚能裝置在設(shè)定斷裂方向產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，使圍巖沿該方向斷裂[1-2]。按照鉆孔方位可分為沿工作面傾向方向鉆孔爆破[3]，減小工作面來壓強(qiáng)度與步距；沿工作面走向方向鉆孔爆破，人為控制堅(jiān)硬頂板巖層破斷結(jié)構(gòu)[4-5]；沿上述兩個(gè)角度之間的方向鉆孔爆破，兼有兩者的作用[6-7]。

同忻煤礦采用小煤柱沿空掘巷后，小煤柱巷道回采期間仍然伴隨強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，巷道超前影響范圍大，巷道圍巖變形大，不易維護(hù)等問題。因此，針對同忻煤礦大采高綜放工作面小煤柱巷道回采期間存在的問題，形成適合于大采高綜放工作面小煤柱巷道爆破切頂理論與技術(shù)，對實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

5210巷位于一水平二盤區(qū)西部，開采3～5號(hào)煤層，煤層厚度5.59～15.88 m，平均煤厚12.54 m，煤層傾角0～3°，平均1.5°.5210巷全長867 m，巷道采用矩形斷面，規(guī)格5.2 m×4.2 m.巷道對應(yīng)地面標(biāo)高+1 384.9～+1 340.9 m，煤層底板標(biāo)高+838～+848 m，平均埋深519.9 m.5210巷為沿空掘巷如圖1所示，位于8305工作面(已回采)東南部，與8305工作面煤柱寬度5 m.

圖1 5210巷布置示意

2 5210巷切頂卸壓技術(shù)

2.1 目標(biāo)切頂高度的確定

根據(jù)頂板巖層確定，工作面內(nèi)701地質(zhì)鉆孔頂板柱狀圖如圖2所示。

圖2 701鉆孔頂板巖層柱狀圖

目標(biāo)切頂高度為目標(biāo)切頂巖層距巷道頂板的距離，根據(jù)柱狀圖確定目標(biāo)切頂高度為5210巷頂板至山4煤上方6.6 m厚細(xì)粒砂巖范圍內(nèi)的巖層。根據(jù)臨近8305工作面2305巷頂板探測情況，煤層平均厚度14.2 m，考慮4.2 m巷道高度，則巷道頂板煤層平均厚度10 m，根據(jù)圖2確定巖層厚度25.71 m，即目標(biāo)切頂高度H0=35.71 m.由于具切眼78～176 m范圍煤層厚度降低，最低為6.62 m，因此該范圍內(nèi)目標(biāo)切頂高度降低4 m，即目標(biāo)切頂高度H0=31.71 m.切頂范圍為切眼至停采線外15 m，為保證安全，至少超前工作面100 m完成。由于采高較大，目標(biāo)切頂高度較高，封孔長度較長，為保證淺部煤巖同樣能切頂，因此本次切頂卸壓采用“深孔+淺孔”的方式。

2.2 爆破鉆孔間距計(jì)算

1) 理論計(jì)算。徑向裂隙是由切向拉應(yīng)力引起的忽略沖擊波的壓碎效應(yīng)，當(dāng)巖石中的切向拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生徑向裂隙，見公式(1)[1]：

(1)

其中：

式中：μ為巖石的泊松比，取0.2(砂巖泊松比)。

代入計(jì)算得：b=0.25.

式中：ρ0為炸藥的密度，根據(jù)礦方提供的炸藥說明書，取1 070 kg/m3；D為炸藥的爆速，炸藥說明書中爆速>3 000 m/s，根據(jù)以往炸藥檢測結(jié)果，取4 500 m/s；dc為炸藥直徑，0.035 m；db為鉆孔直徑，取0.065 m；lc為炸藥長度，m；lb為裝藥段長度，m(采用連續(xù)裝藥，等于裝藥段長度)；n為壓力增大倍數(shù)，一般為8～11，此處取11.

代入計(jì)算得：

=726 172 218.1 Pa

將上述各計(jì)算結(jié)果代入破裂區(qū)半徑計(jì)算公式得：

=0.43 m

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，及以往工程經(jīng)驗(yàn)，采用D型聚能管，且相鄰鉆孔同時(shí)起爆，考慮聚能管聚能作用，及相鄰爆破鉆孔應(yīng)力波疊加作用，爆破破裂區(qū)范圍適當(dāng)增加，取1.5倍系數(shù)，則破裂區(qū)半徑為0.645 m，即炮孔實(shí)際間距應(yīng)小于1.29 m.

2) 數(shù)值模擬。采用數(shù)值模擬法模擬爆炸過程，模擬結(jié)果如下：

當(dāng)藥卷直徑為48 mm，炮孔直徑為70 mm時(shí)，炸藥起爆后炮孔周圍的破壞情況如圖3和圖4所示。雙炮孔間距按1.5 m進(jìn)行模擬。

圖3 單個(gè)炮孔周圍出現(xiàn)徑向主裂紋

圖4 兩個(gè)爆破孔裂縫疊加狀態(tài)

通過以上數(shù)值模擬分析可知，炸藥起爆后100 μs時(shí)炮孔周圍開始出現(xiàn)大范圍破壞，350 μs時(shí)炮孔周圍開始出現(xiàn)徑向主裂紋，主裂紋條數(shù)為4條。隨后主裂紋和次裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，次裂紋擴(kuò)展方向具有一定的隨機(jī)性，主裂紋擴(kuò)展的主方向?yàn)檠貜较蛳蛲鈹U(kuò)展，但在局部表現(xiàn)為一定的隨機(jī)性。對于雙炮孔時(shí)主裂紋條數(shù)有所增加。裂紋擴(kuò)展終止后向上下主裂紋的擴(kuò)展長度分別為0.74 m、0.77 m，平均長度0.755 m.左右間距1.51 m時(shí)炮孔間裂縫可接近溝通，可考慮按1.5 m間距設(shè)計(jì)炮孔。

綜上所述，結(jié)合理論計(jì)算及數(shù)值模擬，最終確定5210巷爆破切頂孔間距為1.5 m.

2.3 爆破鉆孔參數(shù)

通過現(xiàn)場監(jiān)測及理論計(jì)算得出鉆孔參數(shù)見表1。切頂鉆孔布置方案如圖5所示。

表1 鉆孔參數(shù)

圖5 爆破鉆孔布置示意

2.4 裝藥及封孔結(jié)構(gòu)

聚能爆破切頂選用三級(jí)煤礦許用乳化炸藥，炸藥規(guī)格：直徑為35 mm，長為300 mm，重量為300 g，深孔、淺孔均采用48 mm直徑聚能管作為載體，裝藥結(jié)構(gòu)見表2.

表2 5210巷深孔裝藥及封孔長度

孔內(nèi)分為裝藥段和封孔段；裝藥段采用聚能管裝藥，炸藥間隔安裝，每6卷炸藥采用水炮泥分隔；封孔段采用注漿封孔；孔內(nèi)并聯(lián)、孔間串聯(lián)連接。

炸藥引爆采用“礦用電雷管+礦用導(dǎo)爆索”引爆，導(dǎo)爆索沿聚能管布置，布置在聚能管內(nèi)，在聚能管最下部采用兩發(fā)雷管引爆，一起爆破的炮眼雷管段別相同。

2.5 注漿封孔工藝

1) 工藝流程。將兩種料分別加入攪拌桶內(nèi)，分別按照水灰比1∶1攪拌成漿；把封孔囊袋送入孔內(nèi)，兩個(gè)封孔囊袋之間距離，可根據(jù)封孔長度調(diào)整；連接管路，開動(dòng)氣動(dòng)泵，開始注漿，漿液經(jīng)三通混合后送入鉆孔，返漿管返漿，可結(jié)束注漿；注漿過程注意氣動(dòng)注漿泵工作狀態(tài)，確保兩種漿液吸料均勻。注漿結(jié)束后，連接爆破線路，凝固60 min，即可起爆。

2) 主要器材。①爆破封孔材料。爆破封孔材料為無機(jī)雙組份材料，分為A、B兩種組分，呈干粉狀，使用時(shí)按1∶1水灰比各自加水?dāng)嚢?，單一組分性能穩(wěn)定，兩種漿液混合之后，能夠快速凝固，并且強(qiáng)度增長迅速，凝固60 min即可達(dá)到爆破要求；材料為純無機(jī)材料，完全阻燃，無有毒有害氣體產(chǎn)生，反應(yīng)溫度不超過60 ℃，安全環(huán)保。②封孔囊袋(圖6).封孔囊袋為雙囊袋結(jié)構(gòu)，配1根注漿管和1根返漿管；注漿過程中，兩端的兩個(gè)囊袋首先膨脹，堵住兩端，隔離裝藥段，堵住孔口，壓力達(dá)到一定程度后，中間段的爆破閥打開，向封孔段注漿，中間段的空氣通過返漿管排出，漿液達(dá)到最上部后，從返漿管返漿，即可結(jié)束注漿。③連體氣動(dòng)注漿泵(圖7).該氣動(dòng)注漿泵有2個(gè)氣動(dòng)攪拌桶，1個(gè)氣動(dòng)注漿泵組成，集攪拌、注漿為一體，設(shè)備以氣源為動(dòng)力，輕便、靈活，較為適合注漿封孔作業(yè)。

圖6 封孔囊袋示意(mm)

圖7 注漿封孔設(shè)備

3) 技術(shù)優(yōu)勢(圖8).①封孔方法簡便安全，只用將封孔裝置送入孔內(nèi)，直接灌注，一次成型，快速凝固，完成封孔，比搗炮泥方式更加安全；②封孔方法速度快，單個(gè)鉆孔灌注時(shí)間3～5 min，凝固60 min即可起爆；③該封孔方法實(shí)現(xiàn)了封孔段和裝藥段的隔離，防止封孔漿液對炸藥產(chǎn)生影響，使用更加安全可靠；④可實(shí)現(xiàn)涌水鉆孔的封孔，采用雙囊袋結(jié)構(gòu)，兩端頭囊袋首先脹起，堵住鉆孔涌水，然后向灌注段灌漿。

3 工業(yè)性實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證小煤柱巷爆破切頂設(shè)計(jì)的合理性，對同忻礦5210巷進(jìn)行巷道表面位移觀測，回采期間分別在該巷采位250 m、350 m、50 m、550 m、650 m處布置5組測點(diǎn)。由于數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致，由采位350 m處測點(diǎn)3數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，如圖9所示。

圖8 封孔系統(tǒng)示意

圖9 現(xiàn)場聚能爆破及巷道圍巖變形

在切頂結(jié)束10 d后，巷道頂?shù)装逡平繛?8 mm，兩幫移近量為49 mm，在此期間內(nèi)，頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃嗡俾史謩e為4.8 mm/d和4.9 mm/d，巷道初期變形速率較大，兩幫變形速率高于頂?shù)装?；在切頂結(jié)束10～20 d 期間，巷道頂?shù)装逑鲁亮繛?6 mm，兩幫移近量為25 mm，在此期間內(nèi)，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃嗡俾史謩e為3.6 mm/d和2.5 mm/d，10～20 d期間巷道變形速率相比于10 d內(nèi)的變形速率呈下降趨勢；在停采后15 d 左右，巷道圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。

通過對回采巷道的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，在停采后15 d左右，巷道變形基本達(dá)到穩(wěn)定，采準(zhǔn)巷道兩幫移近量基本穩(wěn)定在89 mm左右，巷道頂?shù)装逡平炕痉€(wěn)定在110 mm左右。以上數(shù)據(jù)表明，巷道基本可以保持穩(wěn)定，滿足巷道正常維護(hù)的要求，說明綜放工作面實(shí)施切頂技術(shù)后，有效地保護(hù)了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

1) 分析了同忻礦大采高綜放工作面小煤柱巷道存在的問題，提出了以聚能爆破切頂為核心的小煤柱巷道維護(hù)技術(shù)。

2) 根據(jù)實(shí)際情況確定了小煤柱巷道爆破切頂采用“深孔+淺孔”的鉆孔布置形式。

3) 通過理論分析及數(shù)值模擬計(jì)算得出了聚能爆破孔間距為1.5 m.

4) 在傳統(tǒng)黃泥漿封孔工藝的基礎(chǔ)上提出了安全高效的注漿封孔工藝。

5) 在同忻煤礦5210巷進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，對5210巷圍巖表面位移進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，5210巷采用爆破切頂技術(shù)與方法，較好地控制了同忻煤礦5210巷圍巖變形破壞，實(shí)現(xiàn)了大采高綜放工作面小煤柱巷道穩(wěn)定的目的。