張志波

(大同煤礦集團(tuán)塔山礦)

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工作面堅(jiān)硬頂板爆破放頂技術(shù)的應(yīng)用

張志波

(大同煤礦集團(tuán)塔山礦)

摘要以某煤礦3111(02)工作面為研究背景，分析該工作面采取強(qiáng)制放頂技術(shù)的必要性，爆破放頂?shù)幕驹瓌t，并分別對(duì)深孔爆破參數(shù)和淺孔爆破參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，結(jié)合該礦工作面實(shí)際，確定了爆破放頂方案。采用此方案對(duì)該工作面頂板進(jìn)行強(qiáng)制放頂，取得了顯著的放頂效果，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞強(qiáng)制放頂爆破方案堅(jiān)硬頂板

某煤礦3111(02)工作面處于3#煤層中，煤層平均厚度約3.7m。該工作面直接頂巖性為灰色泥巖，平均厚度6.1m，具有較強(qiáng)的整體性；基本頂巖性為淺灰色粉砂巖，平均厚度3.7m，具有較強(qiáng)的完整性。該工作面區(qū)段留設(shè)煤柱寬度為10m，由于聯(lián)絡(luò)巷的存在，區(qū)段分為3個(gè)切塊，當(dāng)完成第一個(gè)切塊的開(kāi)采工作時(shí)頂板未垮落，為保證安全開(kāi)采，采取強(qiáng)制放頂措施，即爆破放頂技術(shù)。

1　爆破放頂技術(shù)

1.1放頂基本原則

結(jié)合直接頂厚度和巖性情況確定爆破方案的設(shè)計(jì);改變直接頂頂板的力學(xué)結(jié)構(gòu)，在直接頂板采用淺孔爆破開(kāi)縫槽，縮小垮落步距；實(shí)現(xiàn)直接頂板的完全垮落，使得垮落的矸石成為采空區(qū)與工作面的保護(hù)屏障，也對(duì)上覆巖層起到一定的支撐作用[1-3]。

1.2深孔爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)工作面頂板進(jìn)行深孔爆破時(shí)，對(duì)于未垮落的直接頂，可將其簡(jiǎn)化為懸臂梁模型進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。懸臂梁固定在巖層一段，此處轉(zhuǎn)矩為[4]：

(1)

式中，q為均布在直接頂上的載荷；L為懸臂梁長(zhǎng)度。

此外，懸臂梁在固定端處可承受的轉(zhuǎn)矩是有一定限度的，最大轉(zhuǎn)矩為[5]

(2)

式中，W為懸臂梁端部截面模量；h為頂板厚度；σt為模型巖石最大抗拉強(qiáng)度。

由上述分析可知，要使得懸臂梁垮落，必須使得M1大于M1max，即：

(3)

式中，γ為巖石容重。

通過(guò)計(jì)算可知，第一階段的深孔爆破結(jié)束后，還存在一部分直接頂沒(méi)有垮落。首先，采用淺眼爆破的方式，在開(kāi)切眼內(nèi)進(jìn)行爆破切槽。具體方案設(shè)計(jì)為：在聯(lián)絡(luò)巷布置一排深孔炮眼，爆炸后會(huì)產(chǎn)生大量的矸石，這些矸石可充填其下方的采空區(qū)，此外，還應(yīng)在此開(kāi)切眼內(nèi)布置淺孔炮眼，形成一個(gè)槽，使得直接頂?shù)牧W(xué)結(jié)構(gòu)或受力情況得以改變，實(shí)現(xiàn)其完全垮落。深孔爆破使得炮眼下方的采空區(qū)完全充填，使直接頂未垮落或不完全垮落的采空區(qū)與工作面分離，即深孔爆破作用下垮落的矸石充當(dāng)了工作面的保護(hù)屏障，大大提高了生產(chǎn)工作面的安全性。

為實(shí)現(xiàn)爆破矸石完全充填采空區(qū)，需確定深孔爆破參數(shù)[6-7]。

1.2.1炮眼垂直高度

由地質(zhì)資料可知，該工作面平均采高(H)3.7m，頂板巖石碎脹系數(shù)(k)為1.3,現(xiàn)假設(shè)爆破能實(shí)現(xiàn)炮眼下方采空區(qū)完全充填的頂板垮落厚度為H1,確定頂板垮落厚度:

(4)

通過(guò)計(jì)算，求得H1=12.33m。

1.2.2炮眼直徑

根據(jù)礦用鉆機(jī)型號(hào)以及鉆頭的大小，設(shè)計(jì)炮眼直徑為90mm。

1.2.3裝藥選擇及參數(shù)

結(jié)合該礦的爆破經(jīng)驗(yàn)，軟體包裝的礦用水膠炸藥卷在該礦工程施工中取得良好的應(yīng)用效果，確定水膠炸藥卷作為爆破炸藥。參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　裝藥參數(shù)

1.2.4炮眼間距

由于該工作面在各聯(lián)絡(luò)巷與支巷的交叉處均布置炮孔，結(jié)合該礦工程實(shí)踐及相關(guān)計(jì)算，對(duì)數(shù)確定為1，確定炮眼間距為2m。

1.2.5炮眼深度

通過(guò)計(jì)算，確定頂板垮落高度為10m，孔底與頂板之間的距離為10m，因此，確定炮眼深度為20m，炮眼仰角為30°。

1.2.6炮眼與支巷夾角

不同的巖性，其爆破裂隙半徑不同，通過(guò)相關(guān)計(jì)算，最終求得泥巖中的爆破裂隙半徑為3.1m，粉砂巖中的爆破裂隙半徑為0.8m。由于炮孔的底部處于粉砂巖中，故其爆破裂隙半徑可確定為0.8m，為充分發(fā)揮爆破裂隙的作用，處于同一煤柱內(nèi)的兩炮孔底部距離確定為1.8m，與支巷的夾角確定為21°。

1.3淺孔爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際及要求，在頂板布置淺爆破孔，在開(kāi)切眼頂板形成一定的縫槽。為獲得良好的爆破效果，炮孔方向應(yīng)與開(kāi)切眼頂板垂直。同時(shí)，采用聚能爆破方法，以不耦合的形式將礦用水膠炸藥放入PVC管中，在PVC管兩側(cè)設(shè)定一定的細(xì)縫，實(shí)現(xiàn)對(duì)爆能的進(jìn)一步控制[8-9]。

1.3.1炮孔深度

淺孔爆破后，炮孔上方的直接頂厚度變小，炮孔周圍還會(huì)形成一定范圍的裂隙，使得泥巖的力學(xué)結(jié)構(gòu)得以改變，使直接頂?shù)目迓洳骄噙M(jìn)一步減小。淺炮孔深度無(wú)需過(guò)大，一般小于直接頂厚度，設(shè)炮孔深度為H2，爆破后的直接頂厚度為H3，爆破后頂板形成一個(gè)縫槽時(shí)的懸頂距為L(zhǎng)1，則此種情況下的懸臂梁轉(zhuǎn)矩為：

(5)

(6)

式中，b為單位厚度，取值為1。

通過(guò)計(jì)算,求得炮孔深度H2=2.6m，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，確定炮孔深度為3m。

1.3.2炮眼間距

通過(guò)上述計(jì)算可知，爆破后泥巖中的爆破裂隙半徑為3.1m，淺孔爆破時(shí)采用聚能爆破方法，該爆破方法具有較強(qiáng)的定向性，因此，爆炸后，巖層中形成更大范圍的裂隙。為獲得較好的爆破質(zhì)量，確定炮眼間距為2m。

1.4爆破方案設(shè)計(jì)

結(jié)合以上研究，在該礦3111(02)工作面進(jìn)行初次放頂時(shí)，首先在開(kāi)切眼中布置淺孔炮眼，炮眼方向與頂板垂直，炮眼直徑為90mm，炮眼深度為3m，炮眼間距為2m；在聯(lián)絡(luò)巷采取深孔炮眼布置。此外，在聯(lián)絡(luò)巷與支巷交叉處頂板布置深孔炮眼，炮眼深20m，仰角30°，與支巷夾角21°。

淺孔和深孔爆破采用的引爆工具分別為瞬發(fā)雷管和毫秒延期電雷管。淺孔爆破后，直接頂出現(xiàn)了一個(gè)縫槽，直接頂?shù)目迓溟L(zhǎng)度減小，在深孔爆破作用下，直接頂可實(shí)現(xiàn)完全垮落。隨著工作面的不斷推進(jìn)，再次對(duì)頂板進(jìn)行爆破時(shí)，只需在頂板布置深孔炮眼即可實(shí)現(xiàn)其完全垮落。

2　結(jié)　語(yǔ)

該礦3111(02)工作面采用淺孔爆破和深孔爆破相結(jié)合的方式。采用淺孔爆破，改變了頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)，大大縮小了初次垮落距，有效解決了懸空頂板面較大的問(wèn)題，減少了頂板對(duì)工作面的沖擊隱患和炸藥的使用量；深孔爆破后，頂板完全垮落，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頂板的強(qiáng)制放頂。

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(收稿日期2016-04-28)

張志波(1984—)，男，助理工程師，037036 山西省大同市礦區(qū)欣河園。