大采高綜采工作面高能氮?dú)鉁\孔預(yù)裂巖石技術(shù)研究與應(yīng)用

王東平

(潞安化工集團(tuán)能源事業(yè)部 生產(chǎn)部,山西 長(zhǎng)治 046204)

地質(zhì)構(gòu)造是巖體或者巖層在地球內(nèi)、外應(yīng)力作用下發(fā)生變形或移動(dòng)形成的一種特殊狀態(tài)[1]。地質(zhì)構(gòu)造主要分為褶曲、斷層、陷落柱3大類,其中褶曲又分為背斜和向斜,是巖體受擠壓發(fā)生彎曲變形的一種構(gòu)造。斷層分為正斷層和逆斷層,是某一空間內(nèi)的巖體受力發(fā)生斷裂,沿?cái)嗔衙鎯蓚?cè)發(fā)生的顯著相對(duì)位移的構(gòu)造。陷落柱是巖體中可溶巖被地下水溶蝕產(chǎn)生空洞,引起上覆巖層冒落而成的柱狀塌陷體。大中型地質(zhì)構(gòu)造在綜采工作面揭露后,伴隨著出現(xiàn)局部煤壁巖石厚度增加、巖石硬度變大、采煤機(jī)組截割困難的情況,這時(shí)就需要采取其他措施,輔助采煤機(jī)截割,保證工作面快速通過(guò)地質(zhì)構(gòu)造帶[2-4]。

1 工作面概況

慈林山煤業(yè)15103工作面埋深335 m,北為15號(hào)煤膠帶下山、軌道下山、1號(hào)及2號(hào)回風(fēng)下山,南部為井田邊界,東部為15101工作面采空區(qū),西部為未采區(qū)。工作面設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度855 m,切眼長(zhǎng)235 m,煤層平均厚4.2 m,采用綜采一次采全高采煤工藝。15103回采工作面地表為丘陵地區(qū),大部分被黃土覆蓋,局部基巖裸露。工作面地面標(biāo)高+1 015～+1 130 m;工作面標(biāo)高+750～+838 m;埋深255 m左右。工作面中部上覆2號(hào)煤層采空區(qū)。15103 工作面巷道均沿15號(hào)煤層頂板布置。工作面回采至432 m時(shí)遇F6 逆斷層,斷層傾角30°,落差3.7 m,走向與工作面夾角30°,斷層從回風(fēng)巷開(kāi)始揭露,逐步延伸至運(yùn)輸巷。

由于該斷層揭露圍巖硬度較大、采煤機(jī)截割困難,所以采取“高能氮?dú)鉁\孔預(yù)裂”輔助措施進(jìn)行巖石松動(dòng)處理,進(jìn)而配合采煤機(jī)截割,確保工作面快速通過(guò)F6逆斷層[5-7]。

2 高能氮?dú)忸A(yù)裂技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)選取

2.1 主要預(yù)裂參數(shù)

1) 鉆孔傾角及深度:在15103工作面煤壁正面打孔。鉆機(jī)架設(shè)在刮板輸送機(jī)上,鉆孔與煤壁水平夾角+8°,左右偏斜60°進(jìn)行施工?？咨? m,每次需要預(yù)裂鉆孔大約30個(gè),使用4臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工,即每臺(tái)鉆機(jī)施工7～8個(gè)孔。如圖1所示。

圖1 鉆孔剖面圖

2) 鉆孔間排距:采用預(yù)裂藥劑進(jìn)行預(yù)裂時(shí),藥劑密度ρ0=900 kg/m3,氮?dú)夥磻?yīng)速度D=3 600 m/s,計(jì)算出粉碎圈和裂隙圈半徑分別為0.1 m和0.5 m.本工作面過(guò)斷層預(yù)裂時(shí)采用炮孔間距為0.6 m,以“三花”形式布置。如圖2所示。

圖2 15103 巷道炮孔平面圖

3) 裝藥量及封孔長(zhǎng)度:鉆孔采用Φ40 mm鉆頭施工,長(zhǎng)度2 m.每個(gè)孔內(nèi)裝藥2個(gè)預(yù)裂劑,約為1 m長(zhǎng),封孔長(zhǎng)度1 m.

4) 施工順序:從工作面斷層的一端開(kāi)始施工,若4臺(tái)以上鉆機(jī)同時(shí)作業(yè)時(shí),作業(yè)間距保持在5 m以上,避免互相干涉。

5) 起爆:爆破時(shí)60個(gè)炮孔一次性起爆。預(yù)裂完畢后可根據(jù)圍巖預(yù)裂情況,補(bǔ)打炮孔進(jìn)行預(yù)裂。

2.2 預(yù)裂施工工藝

1) 打孔:采用氣腿式鑿巖機(jī)施工,鉆頭直徑40 mm,鉆桿直徑25 mm,鉆桿長(zhǎng)度2 m,如圖3所示。

2) 裝藥:炮棍使用Φ30 mm的PPR塑料管,每根炮棍長(zhǎng)度2.5 m.B劑插入A劑中心孔,塞入鉆孔內(nèi),孔口封泥,引線接出,如圖4所示。

圖4 使用時(shí)的裝藥結(jié)構(gòu)

3) 封孔:采用特制的“預(yù)裂封孔水泥卷”進(jìn)行封孔,使用前用水浸泡1 min,撈出后馬上用炮棍塞入孔內(nèi),搗實(shí),如圖5所示。

圖5 專用封孔水泥卷

4) 通電激發(fā):通電預(yù)裂時(shí)需采用瞬時(shí)高壓電,煤礦許用的設(shè)備中MFB200型起爆器即可,如圖6所示。

圖6 可數(shù)碼顯示電阻的起爆器

3 應(yīng)用效果分析

如圖7所示,現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)采用上述預(yù)裂方案,在工作面煤壁較完整區(qū)域進(jìn)行施工。預(yù)裂后,較為致密堅(jiān)硬的巖石大部分能夠直接崩落;未能直接崩落的,在預(yù)裂孔周圍也出現(xiàn)明顯裂縫;預(yù)裂后現(xiàn)場(chǎng)無(wú)大塊巖石,塊度均勻,能夠順利通過(guò)采煤機(jī)底座及破碎機(jī),不會(huì)造成刮板輸送機(jī)卡絆。通過(guò)觀察預(yù)裂后現(xiàn)象,本工作面過(guò)斷層期間采用該方案對(duì)斷層巖石的預(yù)裂破碎效果較好,每日循環(huán)能夠達(dá)到3刀煤左右,較未預(yù)裂情況下的0.5刀,極大地提高了生產(chǎn)效率,同時(shí)在以下方面存在明顯優(yōu)勢(shì):

圖7 15103 預(yù)裂后效果圖

1) 產(chǎn)量方面。采用高能“氮?dú)狻鳖A(yù)裂劑施工簡(jiǎn)單,只需要打眼、裝填、啟動(dòng)預(yù)裂即可,縮短了無(wú)聲破碎劑等待時(shí)間,工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低,日循環(huán)由采用無(wú)聲破碎劑的0.5刀提高至3刀。

2) 材料配件方面。使用預(yù)裂劑前每天使用高強(qiáng)截齒105個(gè)推進(jìn)0.8 m,使用預(yù)裂劑后每天使用高強(qiáng)截齒25個(gè)推進(jìn)2.4 m,每米節(jié)省195個(gè)高強(qiáng)截齒,采完80 m斷層共計(jì)節(jié)省高強(qiáng)截齒15 600個(gè)。

3) 機(jī)電修理方面。使用預(yù)裂劑前,造成采煤機(jī)后搖臂、500 kW截割電機(jī)、前搖臂和滾筒、采煤機(jī)前后滾筒各損壞1次。使用預(yù)裂劑后有效避免了上述設(shè)備再次損壞發(fā)生重復(fù)修理費(fèi)用。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 高能氮?dú)忸A(yù)裂裝置適用于煤礦井下(瓦斯突出、高瓦斯礦井都可以)環(huán)境下的巖石預(yù)裂,威力為三級(jí)乳化炸藥的85%.其產(chǎn)生的主要化學(xué)成分具有較高的推進(jìn)力及能量,燃燒分解產(chǎn)物主要為氮?dú)?且具有低煙無(wú)毒等特征,該產(chǎn)品屬于軍品轉(zhuǎn)民用類型,不屬于民爆火工品,適用較廣泛,為本地區(qū)同類型條件礦井提供了借鑒。

2) 使用高能“氮?dú)狻鳖A(yù)裂劑預(yù)裂與傳統(tǒng)炸藥爆破相比較,在材料的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、爆破等方面人員操作安全系數(shù)高,傳統(tǒng)炸藥爆破時(shí)的強(qiáng)力沖擊波和爆破的大塊巖石對(duì)工作面支架、立柱、液管、閥組、大溜、電纜槽及工作面電纜破壞很大,而且容易造成工作面電纜的隱性失爆,使用高能“氮?dú)狻鳖A(yù)裂劑預(yù)裂可以杜絕因上述設(shè)備損壞和失爆引起的安全事故。

炸藥是利用爆破產(chǎn)生震動(dòng)使巖石破裂,而預(yù)裂劑是利用膨脹達(dá)到與炸藥相同的破裂效果,因此在炸藥爆破期間容易造成頂板漏頂、冒頂?shù)纫幌盗许敯迨鹿?使用預(yù)裂劑膨脹后不存在頂板漏頂、冒頂造成人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。