煤礦井下頂板定向預(yù)裂深孔爆破技術(shù)的研究

吳憲宇，段曉武，李欣慰，李 濤，劉文魁

（山西焦煤化工有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

0 引言

西銘礦井下11544 綜采面位于北采區(qū)右側(cè)，北部和井下老母斷層靠近，平均距離為12.6 m。在綜采面的上側(cè)還有1 號和2 號采空區(qū)，井下的4 號煤層和2號煤層的采空區(qū)距離是88.9 m，和3 號采空區(qū)的距離是58.1 m。該綜采面的平均埋深是441 m，傾斜面的長度是392 m，煤層的上部分布著平均厚度為2.2 m的夾矸層，綜采面上的煤層的平均傾斜角為4.6°，煤層的邵氏硬度為2.2，井下巷道直接頂為3.3 m 厚的石灰?guī)r，頂板的完整度極高而且?guī)r石非常堅(jiān)硬。

在綜采作業(yè)時(shí)，由于頂板強(qiáng)度大，因此頂板不僅難以自行垮落，而且垮落的步距大（平均為24.6 m）、懸頂面積大。當(dāng)大面積的懸頂出現(xiàn)垮塌時(shí)會(huì)給井下作業(yè)人員造成較大的危害，因此需要提前對頂板弱化，提高垮落時(shí)的安全性。

結(jié)合井下實(shí)際情況，提出了定向預(yù)裂深孔爆破技術(shù)工藝，結(jié)合井下的地質(zhì)情況，對定向預(yù)裂深孔方案設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。通過在煤礦井下的實(shí)際應(yīng)用表明，該技術(shù)能夠顯著降低巷道頂板的來壓步距，確保井下巷道在使用過程中的穩(wěn)定性。

1 巷道頂板炮眼布置方案

煤礦井下綜采面采用了一進(jìn)一回的巷道布置結(jié)構(gòu)，其巷道截面尺寸為3 800 mm×4 800 mm，隨著綜采的進(jìn)行，在井下回采巷道的超前液壓支架外側(cè)，需要對頂板布置炮眼。所有炮眼需要和巷道頂板呈75°的夾角，每個(gè)炮孔的深度約為15 000 mm，炮眼間的距離設(shè)置為600 mm，炮眼間的排距設(shè)置為2 400 mm。同時(shí)在順巷切頂巖和煤柱距離約500 mm 的位置設(shè)置一個(gè)和巷道平行的炮眼，該處炮眼深度和間距情況和頂板處炮眼參數(shù)保持一致。井下炮眼布置結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 井下炮眼布置結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

由于井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此在進(jìn)行炮眼布置時(shí)需要考慮施工的便捷性，為了提高炮孔的打眼效率，在對氣動(dòng)打孔工具、自動(dòng)打孔工具進(jìn)行對比后，最終選擇利用ZYWL-4500DS 煤礦用雙履帶式全液壓定向鉆機(jī)[2]進(jìn)行鉆進(jìn)，所使用的鉆頭的直徑為94 mm。井下綜采面的可采走向約為900 m，考慮到在巷道構(gòu)造前后約15 m 的范圍內(nèi)不能進(jìn)行爆破施工，因此在井下輸送機(jī)巷和單軌道巷的總計(jì)炮眼數(shù)量達(dá)到了26 個(gè)。

2 爆破方式研究

井下頂板爆破時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)包括裝藥方式、爆破藥連線方式、爆破方式、井下臨時(shí)支護(hù)方式等[3]，各個(gè)關(guān)鍵爆破參數(shù)的設(shè)置如下：

1）裝藥方式。在巷道切眼進(jìn)入到第3 組超前支護(hù)液壓支架時(shí)，開始進(jìn)行裝藥施工。首先從底部聚能管開始裝藥并進(jìn)行爆破雷管和爆破引線的安裝，在裝藥時(shí)候采用了正向裝藥方案，在每個(gè)爆破孔中設(shè)置5卷爆破藥，爆破藥采用串聯(lián)布置結(jié)構(gòu)，裝完后先裝100 mm 后的封土，然后利用聚能爆破定向桿來調(diào)整聚能管，使其切縫方位和巷道方位保持相同，當(dāng)調(diào)整完成后在利用1 000 mm 長的泥土封口并用木棍夯實(shí)。

2）爆破藥連線方式選擇。爆破藥全部采用串聯(lián)方式連接，連接完成后需要對爆破母線進(jìn)行檢查，確認(rèn)母線的完整性，確認(rèn)完成后再進(jìn)行放炮。

3）爆破方式選擇。放炮時(shí)選擇了串聯(lián)起爆模式[4]，不得進(jìn)行一次裝藥分組起爆，而需要采用一次裝藥，一次起爆的模式。

4）臨時(shí)支護(hù)方案選擇。在起爆以后，需要快速的把端頭支架的護(hù)幫板伸出，此時(shí)要對巷道頂板處進(jìn)行觀測，如果出現(xiàn)有離層的現(xiàn)象，則需要增加單體擋護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)，單體支護(hù)結(jié)構(gòu)的一側(cè)利用DZ-4200 型液壓支架支護(hù)，另一側(cè)利用支架的頂梁和片幫進(jìn)行支護(hù)，井下爆破臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 井下爆破臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

3 裝藥技術(shù)要求分析

炮孔裝藥直接關(guān)系到了爆破效果和安全性，因此針對井下炮孔布置及爆破參數(shù)設(shè)置，針對性的總結(jié)了炮孔裝藥時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)要求。

炮眼設(shè)計(jì)共26 個(gè)，總深度390 m，共計(jì)使用炸藥量858 kg，導(dǎo)爆索總長780 m，電雷管52 發(fā)，共計(jì)封孔總長度132.6 m，炮孔參數(shù)及裝藥量見表1。

表1 井下巷道來壓步距監(jiān)測結(jié)果匯總表

表1 炮孔參數(shù)及裝藥量匯總表

爆破時(shí)采用了安全性較高的乳化炸藥，每一個(gè)藥卷的直徑是60 mm，長度是450 mm，質(zhì)量約為1.5 kg。采用了延遲雷管和安全導(dǎo)爆索。導(dǎo)爆索的藥芯為黑索金炸藥，用棉線進(jìn)行包裹并在外側(cè)纏繞一圈塑料，作為防潮層，導(dǎo)爆索的直徑為6.5 mm，燃燒時(shí)的速度要大于600 m/s。

爆破時(shí)候采用了不耦合的裝藥方式，每個(gè)導(dǎo)爆索都使用雷管起爆，雷管采用了孔內(nèi)并聯(lián)方式，其整體裝藥結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)

裝配起爆藥卷，取出一卷炸藥，用木針在炸藥頂端兩側(cè)扎2 個(gè)小孔，孔徑略大于導(dǎo)爆索直徑，將導(dǎo)爆索插入小孔內(nèi)，插入深度不得少于炸藥長度的1/3，然后將導(dǎo)爆索放置在起爆藥卷兩側(cè)，用絕緣膠帶將導(dǎo)爆索和炸藥藥卷固定在一起，制成起爆藥卷。

4 井下預(yù)裂爆破安全措施研究

由于井下預(yù)裂爆破時(shí)的危險(xiǎn)性高，因此為了提高在爆破施工時(shí)的安全性，針對井預(yù)裂爆破需求，制定了專門的安全規(guī)定[5]。

1）在進(jìn)行爆破孔設(shè)置前進(jìn)行“敲幫問頂”，而且在進(jìn)行打眼的時(shí)候作業(yè)人員需要站在頂板的安全位置。在進(jìn)行打眼時(shí)，需要在打眼位置設(shè)置校準(zhǔn)線，保證所有的眼孔都在一條線上。

2）在鉆孔的下風(fēng)口位置要設(shè)置一個(gè)瓦斯傳感器，瓦斯傳感器可以采用吊掛的方式進(jìn)行布設(shè)，其吊掛的位置距離頂板要小于200 mm，距離側(cè)壁在300～400 mm 之間，保證在施工過程中的瓦斯電閉鎖。

3）在作業(yè)過程中禁止在切頂線5 000 mm 的范圍內(nèi)設(shè)置炮眼，在爆破前后需要對瓦斯?jié)舛茸兓窟M(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，當(dāng)瓦斯的含量超過0.6%時(shí)不得進(jìn)行爆破作業(yè)。

4）在爆破前需要對端頭柱和切頂主進(jìn)行監(jiān)測，保證其支護(hù)牢固不松動(dòng)。在進(jìn)行爆破前需要暫停液泵的工作[6]，在作業(yè)面上不得送電，而且定向預(yù)裂爆破必須在超前支護(hù)內(nèi)完成，不得在切頂線附近進(jìn)行爆破。

5 井下工程應(yīng)用分析

在井下采用定向預(yù)裂深孔爆破技術(shù)后，對其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析。把巷道監(jiān)測區(qū)域分為上段、下段和中段[7]。不同區(qū)域的來壓步距監(jiān)測結(jié)果如表1 所示。

由實(shí)際監(jiān)測結(jié)果可知，優(yōu)化后巷道內(nèi)的平均來壓步距為（18.6 m+19.2 m+18.9 m）/3=18.9 m，比優(yōu)化前的24.6 m 降低了23.17%，井下的平均動(dòng)載系數(shù)為1.35，有效地提升了井下巷道在綜采作業(yè)過程中的安全性。

優(yōu)化后井下巷道頂、底板移近量及移近速率變化情況如圖4 所示。

圖4 井下巷道頂?shù)装逡平考耙平俾首兓闆r

由圖4 可知，在優(yōu)化后，巷道頂、底板的最大移近量為574 mm，比優(yōu)化前的774.6 mm 降低了25.9%。其移近速率為20 mm/d，比優(yōu)化前降低了66.2%，極大地提升了井下巷道在作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

西銘礦井下頂板為堅(jiān)硬的石灰?guī)r，質(zhì)地也堅(jiān)硬，導(dǎo)致巷道頂板難以自行垮落，不僅來壓步距大而且垮落時(shí)候的危險(xiǎn)性高。結(jié)合井下實(shí)際情況，提出了一種定向預(yù)裂深孔爆破工藝，對該工藝情況下的炮孔布置方案、爆破方案、爆破管理等進(jìn)行了分析。通過在煤礦井下的實(shí)際應(yīng)用表明，新工藝能夠?qū)⒕聛韷翰骄嘟档?3.17%，將巷道頂、底板移近量降低25.9%，將井下巷道頂?shù)装宓囊平俾式档?6.2%，極大地提升了井下巷道在作業(yè)過程中的穩(wěn)定性和可靠性。