許文靜

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 古交 030200）

1 概況

西山煤電鎮(zhèn)城底礦位于山西古交市西北，井田東西走向6.6km，南北寬2～5km，井田面積17.8 km2，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力190萬t/a。該礦南二下組煤采區(qū)軌道下山、760水平東大巷已服務(wù)11年，受22602工作面回采影響，巷道多次受壓。巷道變形量大，兩幫變形量達(dá)2 m，底鼓達(dá)1.5 m。22602工作面正在回采，受22602工作面動壓影響760南大巷靠近22602工作面段巷道變形嚴(yán)重，兩幫擠回，底板鼓起。現(xiàn)正處于維修階段，大巷采用單道運行，影響礦井正常生產(chǎn)秩序。因此，計劃在22602工作面回采及末采期間，于順槽和切眼采用深孔爆破技術(shù)對頂板進(jìn)行切斷，實現(xiàn)卸壓，降低采動應(yīng)力對主要運輸大巷及采區(qū)集中巷道的影響，避免鄰近巷道的變形。

2 聚能爆破切頂卸壓原理

隨著2號煤層采掘深度的增加，礦壓顯現(xiàn)明顯，采用寬煤柱護(hù)巷，巷道處于壓力集中區(qū)，不利于巷道的維護(hù)和穩(wěn)定，而采用小煤柱又經(jīng)常被應(yīng)力集中壓酥，巷道圍巖位移變大[1]。采用聚能定向爆破對頂板進(jìn)行切斷、卸壓，改善巷道所處的應(yīng)力環(huán)境，使巷道處于應(yīng)力卸載區(qū)，便于巷道的后期維護(hù)。聚能爆破卸壓應(yīng)力優(yōu)化圖如圖1所示。

圖1 聚能爆破卸壓應(yīng)力優(yōu)化圖

制定巷道應(yīng)力集中卸壓治理技術(shù)方案，按不同炸藥量、不同位置爆破進(jìn)行數(shù)值模擬，給出聚能定向爆破卸壓的合理爆破參數(shù)。煤柱寬度留設(shè)過小，受二次采動影響時，巷道斷面收縮過大，影響工作面安全開采。因此，合理煤柱寬度的確定二直是采礦工程研究的重點和難點。煤柱寬度受采深、采高、煤厚及煤巖力學(xué)參數(shù)等諸多因素的影響，同時還與基本頂斷裂結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。根據(jù)基本頂不同斷裂位置，沿空巷道上覆基本頂斷裂結(jié)構(gòu)如圖2時，對煤柱巷道最為不利，而按照下頁圖3的斷裂線位置斷裂，則老頂巖塊的壓力得到釋放。

圖2 老頂斷裂線在煤柱和巷道上部圖

3 聚能爆破切頂卸壓方案

對工作面運輸巷道頂板進(jìn)行聚能爆破卸壓，能夠改善工作面回采時的巷道應(yīng)力環(huán)境。根據(jù)目前工作面回采進(jìn)度，切頂卸壓爆破試驗位置選在工作面前方的二段運輸?shù)纼?nèi)，范圍300 m。巷道防變形切頂卸壓，其主要目的是通過對本工作面巷道上方頂板的切斷，減小相鄰工作面巷道圍巖的應(yīng)力值和應(yīng)力影響范圍[2]。按鉆孔的頂板柱狀，考慮到工作面回采時采高3.3 m左右，按巖石碎漲系數(shù)1.3倍計算，需上方頂板11 m高度垮落后才能夠充滿采空區(qū)，因此將上位巖層基本頂段全部作為聚能爆破切斷范圍比較合理[3]。炮孔切頂位置如圖4所示。

圖3 老頂斷裂線在采空區(qū)上部位置圖

圖4 炮孔切頂剖面位置圖

3.1 炮孔位置

煤層上方2 m直接頂10 m基本頂，只要將該范圍的頂板巖體切斷即可實現(xiàn)對煤柱的卸壓。因此頂板炮孔孔深定為12 m（按10°向采空區(qū)方向偏斜，則垂直高度約11.8 m），炮孔口間距6 m，300 m巷道試驗段共施工炮孔50個。炮孔可先用鉆機打好，可在炮孔進(jìn)人超前支護(hù)段時裝藥起爆，或者在炮孔孔底到達(dá)工作面煤壁處時裝藥起爆。

3.2 炮孔深度設(shè)計

炮孔深度與煤層頂板巖性及厚度、煤層厚度、工作面采高及順槽斷面尺寸有密切聯(lián)系。炮孔深度是否合適將直接影響到爆破切頂效果、頂板垮落程度及施工工程量。如果斷頂位置不合適，會導(dǎo)致應(yīng)力拱腳落在采區(qū)準(zhǔn)備巷道內(nèi)，反而不利于護(hù)巷卸壓。以22602工作面切眼為例，該工作面直接頂為泥灰?guī)r，厚度1.85 m；基本頂為中細(xì)砂巖，厚度12.00 m。煤層平均厚度4.15 m，采煤工藝為綜合機械化二次采全高。工作面切眼停采位置距南五下組煤準(zhǔn)備巷道最近距離為145 m。經(jīng)數(shù)值模擬及現(xiàn)場經(jīng)驗，頂板不易垮落，設(shè)計炮眼深度為35 m，仰角45°，方位角38°與切眼垂直。

3.3 三徑匹配

炸藥藥卷直徑、聚能管徑與炮孔直徑三者之間必須相互適應(yīng)，才能保證最佳的爆破效果。選擇標(biāo)準(zhǔn):

1）聚能管直徑大于藥卷直徑。為了使藥卷能較為順利地放人聚能管內(nèi)，聚能管的直徑必須大于藥卷直徑；但是聚能管直徑不能無限制的大，必須保證藥卷在聚能管中能被固定住。

2）炮孔直徑大于聚能管直徑。為了便于聚能管的安裝，炮孔直徑必須大于聚能管直徑。為保證聚能管在炮孔中定向固定及爆破時聚能效果，根據(jù)理論研究和綜合現(xiàn)場已有設(shè)備，選擇外徑Φ63 mm聚能管，與之相匹配的最佳炮孔直徑為65 mm，鉆頭直徑75 mm，保證藥徑與管徑很好地緊密耦合，保證藥卷較易放人聚能管中。

3.4 聚能爆破施工工藝

1）打眼。打眼采用CMS1-1200L鉆機，1.0 m×Φ50 mm合金鉆桿Φ75 mm合金鉆頭。鉆孔間距8 m，孔深 35 m，仰角 45°，方位角 38°。

2）裝藥。切頂卸壓范圍共300 m，前150 m采用以往的裝藥方式，用Φ65 mm鉆頭施工，即先將孔底第二節(jié)藥卷與導(dǎo)爆索固定，送人孔底，然后將其他藥卷依次送人炮孔，每節(jié)PVC管炸藥2 m；后150 m采用Φ75 mm鉆頭施工，使用聚能切縫炸藥管，每節(jié)炸藥長1 m，二節(jié)連接另節(jié)順序裝人炮孔。聚能炸藥管裝藥量稍大些，每米裝藥量約3 kg，其金屬槽能夠起到射流作用，破壞巖石范圍更廣，產(chǎn)生的主裂縫方向更為集中。

3）封孔。深孔爆破二.次起爆藥量大，封孔不好將直接導(dǎo)致炮孔口沖孔，造成漏斗狀拋擲，甚至毀壞支護(hù)體，造成巷道圍巖垮塌。因此需進(jìn)行專業(yè)的封孔設(shè)計，并采用專門的封孔炮泥機制作炮泥，炮泥太軟向孔內(nèi)填裝時容易卡孔，炮泥太硬會降低其與孔壁的黏結(jié)力，需在技術(shù)人員指導(dǎo)下進(jìn)行操作。

4）爆破時間節(jié)點。切頂卸壓的爆破時間節(jié)點很關(guān)鍵，起爆時間太早，巷道頂板預(yù)裂后長期暴露容易產(chǎn)生安全隱患，起爆時間太晚影響生產(chǎn)。炮孔的打鉆施工、裝藥、爆破的時間節(jié)點，需根據(jù)工作面的生產(chǎn)進(jìn)度，綜合性協(xié)調(diào)，才能達(dá)到效果最好。以22602工作面為例，爆破地點選擇在工作面超前支架范圍內(nèi)，該段有超前支架支護(hù)，利于頂板的支護(hù)安全。22602工作面日推進(jìn)度為4 m，炮孔為每2 m二個，日安排爆破2個孔。

5）遇斷層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的處理方法。遇大斷層、頂板破碎帶時，若采用切頂卸壓，巷道頂板易失穩(wěn)。可根據(jù)實際情況，采用該段不放炮的方法通過地質(zhì)構(gòu)造帶。

4 效果分析

22602工作面在2017年6月9日所有炮孔爆破完以后，運巷轉(zhuǎn)載機5 m范圍頂板垮落，其余部分頂板完好。22602工作面于2017年6月9日18點實施爆破工作，截止到2017年8月3日，工作面推進(jìn)到14 m時，20—50號支架后尾梁采空區(qū)里切眼頂板錨網(wǎng)支護(hù)有垮落下沉現(xiàn)象，20—50號支架看到矸石，頂板已經(jīng)初垮，確定22602工作面頂板初垮步距為14 m；隨工作面推進(jìn)，頂板不斷冒落，采空區(qū)懸頂不斷增加，工作面推進(jìn)到20 m左右時起，頂板中不斷傳來壓力炮聲，表明頂板因拉應(yīng)力超限而產(chǎn)生了斷裂；當(dāng)工作面推進(jìn)到25 m時，采空區(qū)大面積冒落，形成沖擊波，工作面直接頂初次垮落步距為25m，直接頂垮落后，老頂逐步懸露，隨采空區(qū)面積增加，采場礦壓顯現(xiàn)更加明顯；工作面平均推進(jìn)到37 m時，支架阻力開始明顯升高，后柱阻力明顯高于前柱，煤壁開始出現(xiàn)局部片幫，從現(xiàn)場礦壓觀測情況判定，基本頂初次垮落步距為37 m；工作面推進(jìn)39 m，整個工作面支架阻力明顯降低，基本頂垮落基本完成。

5 結(jié)語

聚能爆破切頂卸壓技術(shù)在鎮(zhèn)城底礦22602工作面的應(yīng)用，即保護(hù)該工作面鄰近巷道，還減少巷道底鼓、幫鼓、噴漿掉皮等變形量過大問題。使用雙向聚能拉張爆破切縫技術(shù)，確保切頂線成型，提高其單進(jìn)水平，減少巷道維修量，體現(xiàn)出顯著的安全與經(jīng)濟(jì)效益。