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堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破弱化技術(shù)應(yīng)用

2019-11-15 來(lái)源：山西西山白家莊礦業(yè)公司作者：李志峰

1、1101工作面工程地質(zhì)情況

1101 綜采工作面為塬林煤礦首采工作面，該工作面位于井田東北部，主要開(kāi)采 1#煤層，1#煤層厚度為 5.82~0.7m，平均厚度為 2.46m，呈條帶狀結(jié)構(gòu)，堅(jiān)硬且具有韌性，平均傾角 3°，為井田內(nèi)大部分可采煤層，1101 工作開(kāi)切眼寬度為 6.5m，工作面采高為 2.3m，采用一次采全高工藝采煤。工作面運(yùn)輸平巷寬 3.5m、高 2.4m，回風(fēng)平巷寬 3.0m、高 2.4m，1#煤層上方直接頂為 0.5m 厚的泥巖，基本頂為 68m 厚的沙礫巖，且沒(méi)有明顯的分層。由于該基本頂巖層厚度大且垮落難，在破碎前無(wú)明顯變形，工作面非來(lái)壓期間，工作面頂板壓力一般較小；當(dāng)頂板懸露面積較大時(shí)，會(huì)發(fā)生突然垮落的脆性破壞，對(duì)工作人員及機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生安全威脅。

通過(guò)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)可知，厚硬砂礫巖單軸抗拉強(qiáng)度為 2.38MPa，內(nèi)聚力為 3.25MPa，抗拉強(qiáng)度及內(nèi)聚力較大，巖層厚且無(wú)明顯分層，節(jié)理裂隙不發(fā)育。礦壓觀測(cè)得基本頂初次來(lái)壓步距為 54.5m，周期來(lái)壓步距為 31m，基本頂初次來(lái)壓當(dāng)量 Pe達(dá)到1114.12k N/m2，頂板來(lái)壓顯現(xiàn)非常強(qiáng)烈。

2、厚層堅(jiān)硬頂板弱化的鉆孔布置及參數(shù)

通常通過(guò)爆破的方法減小基本頂懸露長(zhǎng)度，以縮小其垮落步距，常用方法有循環(huán)淺孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽三種。而采用端部拉槽較其他兩種方法爆破工程量小，因而本工程選用端部拉槽方法來(lái)弱化基本頂。基本頂破斷后，其上覆巖層載荷作用于破斷的基本頂上，在工作面附近形成了“破斷基本頂 - 媒體 - 支架”的支護(hù)系統(tǒng)，綜合考慮工作面液壓支架型號(hào)、爆破技術(shù)及工程成本，且爆破循環(huán)步距應(yīng)小于基本頂周期來(lái)壓步距，綜合考慮基本頂爆破循環(huán)步距確定為 30m。

2.1 深孔爆破基本參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）爆破孔布置方式。預(yù)裂爆破的鉆孔可以分為兩部分，一部分爆破孔用于切斷工作面推進(jìn)方向頂板間的聯(lián)系，另一部分爆破孔用于切斷工作面與巷道側(cè)頂板間的聯(lián)系。

（2）爆破孔直徑。爆破孔直徑的確定要綜合考慮炸藥的性能、煤巖體巖石力學(xué)參數(shù)、鉆孔機(jī)具、裝藥及封孔難易程度等。炮孔直徑過(guò)大則鉆眼速度較慢，炮孔直徑過(guò)小則無(wú)法達(dá)到應(yīng)有爆破效果，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及 1#煤層的地質(zhì)條件，綜合確定炮孔直徑為 75mm。

（3）爆破孔長(zhǎng)度。所需爆破巖層厚度越大，爆破孔越長(zhǎng)，然而爆破孔長(zhǎng)度較大則不利于鉆孔及裝藥的進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，應(yīng)在滿足安全及生產(chǎn)的情況下，盡量減小爆破孔長(zhǎng)度。

（4）封孔長(zhǎng)度。為保證安全及爆破效果，封孔長(zhǎng)度應(yīng)大于爆破孔長(zhǎng)度的 20%~30%。

（5）一次最大起爆藥量。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，圍巖在中等穩(wěn)定情況下，支護(hù)狀況良好的巷道安全振動(dòng)速度約為 20cm/s，考慮一定的爆破安全系數(shù)，一次最大起爆藥量取 450~550kg。為減小爆破對(duì)巷道圍巖及工作面液壓支架的影響，一次起爆藥量要控制在 250~300kg 以下，在不影響工作面推進(jìn)速度的前提下，可以考慮選用單孔起爆方式。

2.2 開(kāi)切眼內(nèi)深孔爆破鉆孔布置及參數(shù)設(shè)計(jì)

工作面開(kāi)切眼內(nèi)頂板弱化的爆破鉆孔布置如圖1 和表 1 所示。在切眼完成后，支架安裝前，距離采空區(qū) 1m，沿 120m 切眼全長(zhǎng)布置 8 組 22 個(gè)爆破鉆孔，其中 1、2、3 和 20、21、22 對(duì)稱布置，4、5、6 和 17、18、19 對(duì)稱布置，7、8、9 和 14、15、16對(duì)稱布置，10 和 13 對(duì)稱布置，11 和 12 對(duì)稱布置。現(xiàn)場(chǎng)施工中，鉆孔與頂板夾角均取 30°，考慮煤層厚度變化及殘眼的存在，前兩組鉆孔均長(zhǎng) 16m，孔底距離煤層上方 8m，第三組鉆孔均長(zhǎng) 20m，孔底距離煤層上方 10m。

表 1 開(kāi)切眼內(nèi)鉆孔布置及爆破參數(shù)

圖 1 工作面開(kāi)切眼內(nèi)深孔爆破預(yù)裂弱化頂板鉆孔布置圖

2.3 兩巷內(nèi)深孔爆破鉆孔布置及參數(shù)設(shè)計(jì)

在進(jìn)、回風(fēng)平巷內(nèi)，朝工作面施工深 3.5m、寬4m 的鉆場(chǎng)硐室，在兩巷內(nèi)超前工作面的鉆場(chǎng)硐室進(jìn)行頂板預(yù)裂工作，以切斷工作面與巷道上部頂板間的聯(lián)系。如圖 2 所示，在鉆場(chǎng)硐室內(nèi)布置 A、B、C、D、E、F、G、H 共計(jì) 8 個(gè)炮孔，其中 A、B、C、D、E、F 平行于工作面扇形布置，F(xiàn)、G、H 斜交于工作面扇形布置，鉆孔布置及爆破參數(shù)如表 2 所示。

3、工業(yè)性試驗(yàn)

工作面開(kāi)切眼推進(jìn) 4 刀后進(jìn)行裝藥、連線和爆破工作，采用炮棍進(jìn)行炸藥填塞，采用不耦合裝藥方式，采用兩根導(dǎo)爆索進(jìn)行炸藥起爆工作，導(dǎo)爆索采用瞬發(fā)電雷管起爆，兩根雷管并聯(lián)連接。采用BF-200 型起爆器進(jìn)行起爆，從切眼中部向兩端進(jìn)行爆破，分組裝藥、分次爆破。兩巷內(nèi)深孔預(yù)裂爆破頂板步距按 30m 設(shè)計(jì)，從工作面開(kāi)切眼直至該工作面回采完成止，以保證工作面初次來(lái)壓及周期來(lái)壓步距均在 30m 以內(nèi)，裝藥與封孔工序與切眼爆破相同，爆破順序同樣是由工作面中部向兩端進(jìn)行。

根據(jù)該礦瓦斯情況，選用 2 號(hào)煤礦許用乳化炸藥，藥卷直徑為 60mm，長(zhǎng)度為 500mm，1.5kg/ 卷，適用于低瓦斯礦井采掘工作面。導(dǎo)爆索選用煤礦許用導(dǎo)爆索，規(guī)格為 Φ5.2~5.5mm，雷管選用煤礦許用 8#普通瞬發(fā)電雷管。

回采期間對(duì)工作面進(jìn)行礦壓觀測(cè)，通過(guò)壓力表對(duì)液壓支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在工作面上部、中部、下部布置三個(gè)礦壓觀測(cè)站，每個(gè)測(cè)站觀測(cè) 4 組支架。1101 工作面從回采開(kāi)始，共計(jì)預(yù)裂頂板 8 次，切眼預(yù)裂 1 次，兩巷預(yù)裂 7 次，深孔預(yù)裂爆破后工作面液壓支架工作阻力隨工作面推進(jìn)變化情況如圖3 所示。通過(guò)圖 3 觀察可知，對(duì)頂板進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破后，工作面液壓支架工作阻力明顯降低，頂板來(lái)壓緩和，頂板最小來(lái)壓步距為 13m，最大來(lái)壓步距為 22m，上覆巖層懸頂面積大大減小，保證了工作面的回采安全。

表 2 兩巷內(nèi)預(yù)裂頂板鉆孔布置及爆破參數(shù)