爆破切頂卸壓技術在小煤柱護巷中的應用

李朝瓏

（山西新村煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

為最大限度地多采出煤炭資源，減少資源浪費，提高礦井回收率，礦井須結合自身實際開采條件，盡量減小兩個工作面之間區(qū)段煤柱留設的尺寸。但對小煤柱護巷而言，留設煤柱受相鄰回采工作面?zhèn)认蛑С袎毫肮ぷ髅姹旧砘夭沙安蓜討Φ碾p重影響，容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，造成巷道變形量大，甚至需要對整條巷道進行擴修，導致護巷失敗[1-2]，護巷難度加大，護巷成本增加?；诖?，晉能控股口泉煤業(yè)在2104工作面開展小煤柱護巷爆破切頂卸壓技術研究，通過對相鄰21031巷采取爆破切頂措施，釋放煤柱及護巷深部圍巖應力，使應力重新分布，改善煤柱承載強度及巷道應力環(huán)境，確保小煤柱護巷的成功。

1 工程概況

口泉煤業(yè)2104工作面開采2號煤層，煤層平均厚度4.6 m，局部有2～3層夾矸，賦存穩(wěn)定。煤層傾角9°～12°，平均10°，煤層硬度系數(shù)3～3.4。煤層直接頂為粉砂巖，厚度分別為4 m；老頂為泥巖，厚度為3.25 m；直接底為泥巖，厚度為1.5 m；老底為粉砂巖，厚度為7 m。2104綜采工作面北部為2103工作面，兩個工作面煤巷均已貫通，計劃首先回采2103工作面。21041巷巷道設計斷面規(guī)格：凈寬×凈高=4.7 m×2.7 m，間隔煤柱留設寬度為5 m。21041巷先后受2103、2104工作面回采影響，巷道圍巖極易發(fā)生變形。工作面布置如圖1所示。

圖1 2103、2104工作面布置

2 爆破切頂卸壓技術研究

結合2103工作面回采進度安排，為保證護巷效果，必須在2103工作面初采初放前，對21031巷實施切頂爆破卸壓，在21031巷頂板形成預裂面，釋放小煤柱及21041巷深部圍巖應力，降低2103工作面?zhèn)认蛑С袘π∶褐?1041巷的影響。

2.1 爆破參數(shù)設計

（1）炮眼角度

設定巷道斷面內炮眼的豎向夾角為α，沿巷道走向剖面內炮眼的水平夾角為β，α及β角如圖2所示。為減小煤柱及護巷上方頂板的破壞程度，增強煤柱的承載力，設計α角向2103工作面采空區(qū)傾斜，增加煤柱及護巷上方頂板懸臂梁的長度。β角如設計過小，需增加炮眼深度及裝藥量，以保證卸壓效果；β角如過大，則會造成裝藥困難。通過現(xiàn)場施工條件及經(jīng)驗，最終確定α=10°、β=75°。經(jīng)理論分析計算，炮眼眼位距煤柱幫越近越好[3]，但需考慮鉆機施工炮眼的空間且保證炮眼按設計進行施工。結合21031巷現(xiàn)場實際條件及鉆機情況，確定炮眼距幫距離為0.8 m。

圖2 切頂鉆孔布置

（2）炮眼直徑和間距

結合工作面頂板巖性、炮眼施工進度、回采工作面推進進度及深孔爆破經(jīng)驗等，確定炮眼直徑為75 mm，選用直徑75 mm鉆頭配合直徑63 mm鉆桿進行施工，炮眼間距2 m，相關參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場巖性變化、爆破效果等作適當調整。

（3）炮眼深度

根據(jù)關鍵層理論分析21031巷頂板巖層賦存情況，選出厚度相對厚、強度相對高的巖層為關鍵層，其上覆巖層隨關鍵層協(xié)同變形[4]，切頂時高度必須超過關鍵層，上覆巖層隨同一起垮落，使護巷深部圍巖應力重新分布、釋放，達到卸壓的目的。21031巷頂板巖層賦存如表1所示。經(jīng)分析，C5粉砂巖厚度4 m，強度相對較大，選定為關鍵層。另煤厚4.2 m，巷高2.7 m，巷道托頂煤1.5 m，則切頂高度h=1.5+4.0+3.25+2.5+4.0+0.13+2.7=18.08 m，炮眼傾角β為75°，則炮眼深度H=18.08/sin75°=18.72 m。炮眼布置如圖2所示。

表1 2103工作面頂板上覆巖層分布

（4）裝藥量與裝藥結構

炸藥選用礦用三級乳化炸藥，直徑φ為45 mm，長度500 mm，每節(jié)炸藥重量0.8 kg。炮眼直徑d為75 mm，則裝藥不耦合系數(shù)K=d/φ=75/45=1.67，滿足要求。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，深孔爆破時，封泥長度不得低于孔深的1/3。因炮眼深度設計為18.72 m，設計裝藥長度為12 m，封泥長度為6.72 m。根據(jù)工程類比法，泥巖類裝藥系數(shù)為0.75 kg/m，砂巖類裝藥系數(shù)為1.3 kg/m。根據(jù)表2中各巖層厚度，計算得出炮眼裝藥量為2.8×0.75+9.2×1.3=14.06 kg，單節(jié)藥為0.8 kg，則每孔共計裝藥18節(jié)。炮眼采用不耦合間隔裝藥方式，使用雙導爆索配合雙雷管進行引爆，電雷管采用瞬發(fā)電雷管，兩個電雷管采用并聯(lián)連線，且每個電雷管引爆一根導爆索。

2.2 快速裝藥技術

（1）裝藥前確認

因炮眼施工范圍內軟硬巖互層，軟巖段、軟硬巖交接處成孔質量無法得到保證，每次裝藥前必須對炮眼進行探孔來確認成孔質量。如探孔無法探至孔底，則嚴禁裝藥，必須使用鉆機再次套孔，直至滿足裝藥要求。

為便于操作，設計了探孔專用工具，由木制探頭與探桿兩部分組成，探頭直徑68 mm，桿體為陀螺狀，探桿使用四分鋼管加工而成，每節(jié)1 m，使用接箍進行連接，探桿如圖3所示。

圖3 探桿

（2）裝藥方式

常規(guī)的裝藥方式是將炸藥包裝袋剪開，將炸藥裝入注藥槍注藥筒中，之后使用注藥槍將炸藥注入爆破管中，但該操作程序繁瑣且效率低。為解決此問題，此次裝藥采用PVC材質的聚能管，該管斷面形狀為橢圓形，由主體管及滑蓋兩部分組成，主體管中央有一個凹進去的槽，叫做聚能槽。裝藥前，首先將每節(jié)炸藥兩端剪開，之后直接裝入主體管中，最后沿主體管滑槽將滑蓋扣上即完成裝藥。

（2）安裝方式

每根聚能管長度1.5 m，每孔需安裝12根。聚能管通過快速接頭進行連接，連接后具有一定的強度且可適當彎曲。另外，快速接頭安裝有倒刺，防止在安裝過程中出現(xiàn)聚能管下滑的現(xiàn)象。結合21031巷現(xiàn)場條件，可在巷道內提前將聚能管連接完畢，之后整體送入炮眼，單孔預計裝藥時間約7 min，較常規(guī)炸藥安裝方式時間減少60%。

3 現(xiàn)場試驗及應用效果

3.1 現(xiàn)場施工組織

采用“三·八”制作業(yè)方式，每班安排3人進行作業(yè)。現(xiàn)場采用快速裝藥及整體安裝方式，經(jīng)現(xiàn)場試驗，單孔裝藥時間為7 min左右，較常規(guī)炸藥安裝方式時間節(jié)省60%，與預計安裝時間基本一致。

3.2 煤柱應力監(jiān)測

對煤柱布置測點進行相對垂直應力監(jiān)測，用于確認采取爆破切頂卸壓措施后，煤柱內部是否受力均勻，是否具備一定的承載力。設定距煤柱幫1 m處為第一個測點，之后按0.5 m間距向里依次布置6個測點，形成一排，共計7排。

（1）應力分析

采取爆破切頂措施后，煤柱內部應力變化如圖4所示。由應力變化曲線可知，每排應力值隨測點距煤柱幫距離不同而不同，距幫2.5 m處出現(xiàn)峰值，煤柱范圍內應力0.8～6.6 MPa，應力分布相對均勻，證明煤柱形成了一定的承載力[5]。

圖4 爆破切頂后煤柱應力變化曲線

（2）巷道表面位移觀測

在21041巷建立巷道表面位移觀測站，分別觀測頂板位移、底板位移及兩幫位移，位移變化如圖5所示。由圖5位移變化曲線可知，隨2103工作面推進，21041巷表面位移逐漸增大，當推過距測站70 m位置后，巷道表面位移趨于穩(wěn)定，即頂板下沉值不大于50 mm，底鼓量不大于140 mm，兩幫相對移近量不大于190 mm，滿足巷道安全生產(chǎn)需要。

圖5 21041巷位移變化曲線

4 結語

根據(jù)21041巷實際開采條件，口泉煤業(yè)開展小煤柱護巷爆破切頂卸壓技術研究，確定切頂高度、炮眼深度、裝藥結構及起爆方式等關鍵爆破參數(shù)。隨2103工作面回采，通過現(xiàn)場煤柱支承應力和21041巷表面位移監(jiān)測得出：爆破切頂卸壓技術釋放小煤柱及護巷深部圍巖應力，使應力重新進行分布，增強煤柱承載強度及改善了巷道應力環(huán)境，且護巷巷道變形量小，滿足安全生產(chǎn)的需要。