綜采面深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)研究

摘 要：本文提出了一種深孔欲裂爆破強(qiáng)制放頂方法，以提升東龐礦工作面初采期間的作業(yè)安全性和工作效率。這種爆破強(qiáng)制放頂方法以爆破弱化堅(jiān)硬頂板為基礎(chǔ)，從切眼及兩順槽的頂板深孔方向進(jìn)行爆破，并配置合理的爆破強(qiáng)度。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)爆破實(shí)施前后鉆孔內(nèi)裂隙情況進(jìn)行比對(duì)，鉆孔窺視結(jié)果顯示，本文提出的強(qiáng)制放頂方法施工速度快、安全程度高。這種新的強(qiáng)制放頂方法進(jìn)一步拓寬了采煤工作面強(qiáng)制放頂技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑。

關(guān)鍵詞：大面積懸頂；強(qiáng)制放頂；深孔預(yù)裂爆破；鉆孔窺視

中圖分類號(hào)：TD 235 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開(kāi)煤炭行業(yè)充足的煤炭供應(yīng)，對(duì)煤炭產(chǎn)量的高額需求也意味高強(qiáng)度開(kāi)采的長(zhǎng)期存在[1]。而頂板事故又在礦井事故中占據(jù)很大的比例，尤其是遇到堅(jiān)硬、厚層頂板時(shí)，頂板一般不會(huì)直接破斷、垮落，從而形成大面積的懸頂。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，頂板大面積突然垮落易造成氣體濃度異常和颶風(fēng)傷人等事故，對(duì)安全生產(chǎn)造成影響[2]。強(qiáng)制放頂技術(shù)作為一種能夠使基本頂及時(shí)發(fā)生垮落的有效方法，可以降低工作面的初次來(lái)壓步距，有效降低頂板大面積來(lái)壓可能產(chǎn)生的影響[3]。在采空區(qū)內(nèi)的頂板預(yù)裂卸壓，從而在采空區(qū)中有效形成了切頂短臂結(jié)構(gòu)，可以有效降低巷旁支護(hù)的承載強(qiáng)度。確定合適的放頂距離，可以有效地控制大面積來(lái)壓。東龐礦某綜采工作面上部頂板自身堅(jiān)硬不易垮落，工作面初采期間存在區(qū)域懸頂面積過(guò)大、初次來(lái)壓帶來(lái)巨大沖擊力等問(wèn)題，如果不進(jìn)行人為干預(yù)，大面積頂板突然垮落將會(huì)直接導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，影響工作面安全、高效回采，因此開(kāi)展工作面初采階段強(qiáng)制放頂技術(shù)研究具有重要意義。

1 東龐礦工作面開(kāi)采技術(shù)條件分析

東龐礦某綜采工作面位的傾向長(zhǎng)度為216m。工作面與西側(cè)東側(cè)均為采空區(qū)，南側(cè)為待采工作面（設(shè)計(jì)），北側(cè)為井田邊界，該工作面主采煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸2層，煤厚平均為3.3m，煤層平均傾角2°。工作面上方為平均厚度約24.3m的巖層，主要為中粒砂巖，工作面煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

由于該工作面上方為平均厚度約24.3m的中粒砂巖，巖層厚度較大且較堅(jiān)硬，在工作面初采期間容易形成大面積懸頂，頂板初次來(lái)壓步距大，進(jìn)而對(duì)工作面內(nèi)的機(jī)械設(shè)備和人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅。

傳統(tǒng)情況下，可以采用注水弱化放頂技術(shù)。注水弱化是從巷道內(nèi)向頂板打深孔，并向孔內(nèi)進(jìn)行高壓注水，從而弱化巷道頂板的技術(shù)，通過(guò)向深孔內(nèi)注入高壓水，達(dá)到對(duì)頂板中出現(xiàn)的最初的裂痕和縫隙進(jìn)一步強(qiáng)化的作用。除了這種直接作用以外，也可以利用自然環(huán)境條件的間接作用達(dá)到預(yù)裂的效果。例如，巖體中存在的水體因存在高度勢(shì)能，可以形成較大的壓力。而巖體中的水流會(huì)在壓力的作用下不斷發(fā)生滲漏，從而在已經(jīng)出現(xiàn)的裂隙網(wǎng)絡(luò)中形成流動(dòng)通道，逐步形成滲流作用。滲流作用的持續(xù)，除了腐蝕作用以外，還會(huì)伴隨發(fā)生物理反應(yīng)和化學(xué)發(fā)應(yīng)，這就可以進(jìn)一步增大欲裂的效果。

在實(shí)際實(shí)施的過(guò)程中，注水欲裂一般可以采取2種不同的方法：第一種方法是利用高壓注水的方法強(qiáng)制向頂板內(nèi)注水，這是一種主動(dòng)性更強(qiáng)的方法；第二種方法是在水勢(shì)能的自然作用下，讓水以靜壓的方式完成頂板內(nèi)的注水。但無(wú)論哪種注水方法，都需要依賴一定的自然條件，實(shí)施上受到一定程度的制約?？紤]東龐礦的實(shí)際情況，需要設(shè)計(jì)更合理的預(yù)裂爆破方案進(jìn)行強(qiáng)制放頂。

2 深孔預(yù)裂爆破方案設(shè)計(jì)及理論分析

2.1 深孔爆破頂板弱化機(jī)理

爆破預(yù)裂不需要依賴自然條件，可以做到人工完全可控。爆破預(yù)裂中的爆炸物一般要在深孔中埋藏，才能實(shí)現(xiàn)更大的爆炸效果。一般來(lái)講，爆炸物在深孔中埋藏的深度越深，爆炸的效果越明顯，爆炸所釋放的能量越大。隨著爆炸的發(fā)生和爆炸作用的持續(xù)，巖體會(huì)產(chǎn)生裂縫并且裂縫不斷擴(kuò)大。在這一過(guò)程中，爆炸對(duì)巖體形成了第一級(jí)破壞作用。而隨著破壞作用的持續(xù)，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大并在其他巖體延伸，就形成了第二級(jí)破壞作用。

如圖1所示，如果沿垂直炮孔軸線將爆破后的巖體剖開(kāi)，根據(jù)巖體的破壞特征，單位長(zhǎng)度藥包的內(nèi)部作用大致可分為擴(kuò)腔區(qū)、壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)4個(gè)區(qū)域。

頂板注水弱化技術(shù)具有很高的適用要求，對(duì)高壓注水來(lái)說(shuō)，其對(duì)孔壁的完整性要求很高，孔壁存在裂隙將很大程度地影響預(yù)裂效果，且需要購(gòu)置成套專用設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性較差；同時(shí)對(duì)設(shè)備性能及工人施工水平具有較高要求，不利于現(xiàn)場(chǎng)快速施工；而靜壓注水則比較適用于頂板巖石吸水性較強(qiáng)的工作面。

利用液態(tài)CO2氣體爆破技術(shù)爆破1個(gè)孔的費(fèi)用就高達(dá)1.5萬(wàn)元左右，預(yù)裂效果與投入成本不成正比；工作面上覆巖層厚度約24.3m，淺孔循環(huán)式爆破技術(shù)能夠作用的巖層厚度較小，預(yù)計(jì)達(dá)不到較好的預(yù)裂效果。

相較之下，深孔預(yù)裂爆破技術(shù)已趨于成熟，可確保頂板“切得開(kāi)”且不影響回采巷道的穩(wěn)定性，技術(shù)上具有優(yōu)越性，而且裝藥爆破的方式操作簡(jiǎn)便，便于井下快速施工，不影響工作面正常生產(chǎn)；從經(jīng)濟(jì)方面考慮，僅需要采導(dǎo)爆索等爆破輔材，可利用礦方現(xiàn)有爆破器材進(jìn)行施工，大幅降低了施工成本。因此，考慮各方面因素，對(duì)東龐礦該工作面初采階段強(qiáng)制放頂采取深孔預(yù)裂爆破技術(shù)。

2.2 深孔預(yù)裂爆破方案及理論分析

根據(jù)臨近工作面的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂?shù)谋品桨溉缦隆?/p>

2.2.1 切眼內(nèi)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)工作面地質(zhì)資料及上覆巖層厚度，其采空區(qū)冒落帶高度按采高的4倍計(jì)算。從兩順槽往切眼方向相向進(jìn)行深淺孔交錯(cuò)布控，布置爆破放頂鉆孔30個(gè)孔，孔與孔間距6.5m，仰角均為50°（其中深孔10個(gè)，孔深31.7m，垂高24.3m；淺孔20個(gè)，孔深21m，垂高16m），孔徑均為75mm，距回采煤壁1.0m處呈一型施工。

2.2.2 兩順槽內(nèi)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

為回采過(guò)程中更好地保證兩端頭處頂板完全垮落，從兩順槽往切眼方向相向進(jìn)行深孔交錯(cuò)布控，在兩順槽端頭30m范圍內(nèi)各布置12個(gè)孔，仰角均為50°，孔深21m，孔與孔間距6.5m，孔徑均為75mm。

爆破預(yù)期與爆破切口有關(guān)，進(jìn)而可以分析爆破過(guò)程的拉力和壓力效果。

3 強(qiáng)制放頂爆破效果性能測(cè)試

為了驗(yàn)證強(qiáng)制放頂爆破技術(shù)的有效性，接下來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，首先，需要對(duì)填放炸藥的爆破孔洞進(jìn)行認(rèn)真檢查，以確保其滿足爆破需要。這些檢查包括爆破孔洞的深度、所在的位置、與垂直方向形成的角度等。確認(rèn)爆破孔洞不存在質(zhì)量問(wèn)題后，還需要對(duì)孔洞內(nèi)進(jìn)行清理。其次，按照選眼→裝藥、聯(lián)線→停止作業(yè)撤出人員進(jìn)行爆破。

爆破弱化過(guò)程中，采用人工爆破的方法將頂板切斷，阻斷應(yīng)力的傳遞。炸藥爆炸后所產(chǎn)生的巨大壓力將轉(zhuǎn)化成對(duì)圍巖的張拉作用，從而在巖體內(nèi)形成有效的切縫面，最終使厚硬頂板發(fā)生冒落。根據(jù)爆破材料的不同，可將爆破弱化分為氣體爆破和炸藥爆破2種。1）液態(tài)CO2氣體爆破，這種爆破方法不僅不會(huì)產(chǎn)生火花，在爆炸時(shí)還會(huì)產(chǎn)生吸熱，在工作面內(nèi)部即可進(jìn)行操作，但其耗材成本極高。2）炸藥爆破，根據(jù)鉆孔深度的不同，又可進(jìn)一步的分為淺孔循環(huán)式爆破和深孔預(yù)裂式爆破。深孔預(yù)裂爆破的鉆孔深度在15m以上，而且隨著鉆孔技術(shù)及裝備發(fā)展，其爆破深度目前已可以達(dá)到50m～150m。采用深孔預(yù)裂爆破具有安全、不影響工作面正常生產(chǎn)以及效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)，深孔預(yù)裂爆破是目前常采用的初采期間強(qiáng)制放頂方法。

在上述爆破流程中，切眼的位置選擇至關(guān)重要，它決定了炸藥的填充位置。頂板一般包括多個(gè)巖層，因此切眼的位置一般設(shè)定在底部，如圖2所示。

圖2顯示了切眼和運(yùn)輸順槽的相對(duì)位置關(guān)系。切眼和回風(fēng)順槽的位置關(guān)系也非常重要，也決定了頂板爆破的效果。

爆破過(guò)程中，使用2號(hào)巖石礦用粉狀乳化炸藥連續(xù)串裝藥結(jié)構(gòu)，藥卷規(guī)格為?35mm×250mm，質(zhì)量為0.2kg/卷。雷管為煤礦許用數(shù)碼電子雷管，封眼材料用黃泥，F(xiàn)D-200D型起爆器起爆，雙芯膠質(zhì)母線，長(zhǎng)度不得低于120m。爆破參數(shù)見(jiàn)表2。

進(jìn)一步檢驗(yàn)東龐礦該綜采面端部初采頂板預(yù)裂方案的可行性及爆破強(qiáng)制放頂?shù)男Ч褂肶TJ20型礦用巖層探測(cè)記錄儀進(jìn)行記錄。通過(guò)探測(cè)儀記錄的圖像，可以對(duì)頂板爆破前后的情況進(jìn)行觀測(cè)。

按照公式（1）和公式（2）計(jì)算爆破過(guò)程中的破壞力。本試驗(yàn)中，爆破半徑r為5m，爆破力殘差e為1.5，爆破力矩約M為2000，爆破慣性矩約為0.7，爆炸物質(zhì)量為2kg，重力加速度取9.8m/s2，爆破截面積約為10m2，根據(jù)公式（1）可以計(jì)算表示爆破工程中的拉應(yīng)力。

（1）

式中：σF為爆破工程中的拉應(yīng)力；M為破壞力矩；m為參與爆破物的質(zhì)量；g為重力加速度；r為爆破半徑；e為爆破力臂殘差；A為爆破截面積。

再考慮爆破傾角β為5°，根據(jù)公式（2）計(jì)算表示爆破工程中的壓應(yīng)力。

（2）

式中：σD為爆破工程中的壓應(yīng)力；I為爆破慣性矩；β為爆破傾角。

爆破前后對(duì)比如圖3和圖4所示。

通過(guò)對(duì)比分析爆破前后效果可知，在爆破前，鉆孔內(nèi)的巖體非常完整、連續(xù)，且沒(méi)有明顯的裂隙，在爆破后，鉆孔四周均出現(xiàn)了清晰明顯的豎向裂縫，裂隙發(fā)育程度明顯升高，進(jìn)而說(shuō)明爆破參數(shù)設(shè)計(jì)合理，且爆破后裂紋沿炮孔連線方向擴(kuò)展，在各炮孔間形成了一定寬度的貫通裂縫，頂板沿裂隙整體被切落，有效實(shí)現(xiàn)了頂板結(jié)構(gòu)的預(yù)裂控制。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)工作面初采階段的放頂技術(shù)（包括注水弱化和爆破弱化頂板技術(shù)）進(jìn)行了對(duì)比分析，針對(duì)該綜采工作面的實(shí)際情況，決定初采階段強(qiáng)制放頂采取深孔預(yù)裂爆破技術(shù)。

本文介紹了深孔爆破頂板的弱化機(jī)理，設(shè)計(jì)了深孔預(yù)裂爆破方案，通過(guò)檢查炮孔質(zhì)量、嚴(yán)格執(zhí)行施工順序等確保了爆破施工期間的安全。

通過(guò)探測(cè)儀對(duì)頂板爆破前、后的情況進(jìn)行觀測(cè)，爆破后裂隙發(fā)育程度明顯升高，有效實(shí)現(xiàn)了頂板結(jié)構(gòu)的預(yù)裂控制。實(shí)踐證明，深孔預(yù)裂爆破方案取得了良好的預(yù)裂效果，能夠有效減小綜采面初采期間來(lái)壓帶來(lái)的巨大沖擊力的影響，保障了生產(chǎn)安全。

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