大傾角工作面初次放頂設計與應用

唐金柱

(新疆焦煤集團艾維爾溝焦煤公司1930煤礦)

新疆焦煤集團艾維爾溝焦煤公司26111工作面走向長度2 000 m，平均傾斜長度90 m，開切眼長度93 m，煤層厚度為2.97～4.15 m，平均厚度3.2 m，煤層傾角25°～36°，煤層直接頂為6.22 m的粗砂巖，粗砂巖灰白色、堅硬，以石英為主，裂隙較發育。老頂為13.5 m厚砂礫巖，砂礫巖含鵝卵石，砂白色礦質膠結，頂板巖石自然狀態下的單向抗壓強度67.9～180.2 MPa，堅硬難冒。該公司初期使用粉狀高威力銨銻炸藥，采用超前預爆破方式進行堅硬頂板處理，取得顯著成效。但隨著國家民用爆破器材產業的不斷發展，依照國家民爆產業政策停止生產銨銻類炸藥，針對該公司所屬礦井的堅硬頂板處理，采用煤礦許用乳化炸藥替代粉狀高威力銨銻炸藥實施超前預爆破工藝。

1 頂板巖性特征

該工作面煤層直接頂為粗砂巖，厚度6.22 m左右，其上老頂主要由砂礫巖組成，厚度為13.5 m，為老頂主要承壓層，單向抗壓強度97.9 MPa(見表1)。

表1 煤層頂底板情況

2 采煤方法

26111工作面采用“走向長壁后退式綜采一次采全高”采煤法，回采高度3.2 m。頂板管理方式為超前預爆破處理堅硬難冒頂板。工作面主要裝備見表2。

表2 26111工作面主要設備配備表

注：工作面開切眼斜長93 m，傾角25°～36°。

3 參數設計

依據26111工作面頂板巖性特征及處理老頂主要承壓層的目的，結合二級煤礦許用乳化炸藥的特性，初次放頂設計采用雙側布孔方式，即在工作面運輸和回風順槽內同時布置鉆孔。根據以往對6#煤層開采情況，回采工作面初次來壓步距一般為20～28 m，對26111工作面而言，考慮采用乳化炸藥的特性及煤層的頂板巖性，本次初次放頂步距取16 m。為加強工作面初次放頂效果，需要在開切眼內布置輔助初次放頂孔，同時在工作面煤壁前方布置輔助端頭孔，以確保頂板能夠正常、及時垮落。

1) 炮孔頂端裝藥高度h上的確定。針對老頂切斷孔的頂端裝藥高度h上，以巖石爆破冒落后將采空區充填滿為目的，根據巖石冒落后碎脹系數取1.3、回采高度取3.2 m，則：1.3×h上=3.2+h上，h上=10.67 m。

考慮老頂承壓層的實際厚度，取老頂切斷孔炮孔頂端裝藥高度h上=15 m，輔助老頂孔取h上=15 m。

針對端頭切斷孔及輔助端頭孔頂端裝藥高度h上，考慮頂板冒落后形成自然平衡拱的兩端高度將低于老頂切斷孔的處理高度，取h上=12 m。

2) 炮孔下端裝藥高度h下的確定。炮孔下端裝藥高度應保障炮孔爆破不影響回采工藝要求，保證工作面不漏頂、不片幫，保證炮孔有足夠的充填堵塞長度，根據上述原則確定h下=4 m(距煤層面)。

3) 炮孔水平轉角α。

a) 老頂切斷孔水平轉角：

運輸順槽老頂切斷孔α=70°(與運輸順槽軸線夾角)

回風順槽老頂切斷孔α=65°(與回風順槽軸線夾角)

b) 輔助老頂孔水平轉角：

運輸順槽輔助老頂孔α=70°(與運輸順槽軸線夾角)

回風順槽輔助老頂孔α=65°(與回風順槽軸線夾角)

c) 端頭切斷孔水平轉角：

上、下順槽均取α=20°(與順槽軸線夾角)

d) 三角區控制孔水平轉角：

上、下順槽均取α=40°(與順槽軸線夾角)

4) 炮孔在煤層傾斜面上的投影長度L投。

對于老頂切斷孔，在煤層傾斜面上的投影長度，用下式計算：

L投=S-H

式中：

L投—老頂切斷孔在煤層傾斜面上的投影長，m;

S—工作面傾斜長,m， 取93;

H—上、下順槽老頂切斷孔終端之間的距離m,取20。

因此，L投=93-20=73 m，考慮到上順槽下向深孔鉆進排巖粉困難等因素，上順槽炮孔與水平面夾角應≥0°。

4 炮孔參數計算公式

1) 運輸順槽公式為：

a) 炮孔終端至水平面高度h：

h=(h上+L投·tanα′)·cosα′

b) 炮孔在水平面上投影長d：

g) 裝藥長度L1：h1=L-L2

h) 裝藥量Q：Q=L1×3.5 kg/m

2) 回風順槽公式為：

a) 炮孔終端至水平面高度h：

h=(h上-L投·tanα′)·cosα′

b) 炮孔在水平面上投影長d：

g) 裝藥長度L1：L1=L-L2

h) 裝藥量Q：Q=L1×3.5 kg/m

由于封孔段長度小于L/3，為避免沖孔及提高爆破效果，封孔時必須在裝藥的下端增設堵孔水泥，長度為40 cm(其后再充填黃土及孔口水泥)。

5 各孔計算結果

根據炮孔參數計算公式，各孔參數計算結果見表3。

表3 各鉆孔參數表

6 鉆孔直徑及裝藥直徑

1) 炸藥卷直徑d1：(按每米裝藥量與藥卷裝藥密度計算)

d1=60 mm

2) 鉆孔直徑d2：(取不偶合系數為0.67)

d2=90 mm

3) 每米炮孔裝藥量Qm:

Qm=3.5 kg/m

7 鉆孔設備及爆破器材

1) 鉆機：根據頂板巖性特征及爆破參數，選用SKZ-120A型潛孔鉆機，其主要性能參數為：

適應巖種：f=6～8

鉆具一次推進：1 000 mm

鉆孔直徑：90 mm

回轉速度：60 r/min

使用氣壓：0.5～0.7 MPa

耗氣量：7～8 m3/min

2) 沖擊器、鉆頭及鉆桿：根據所選鉆機，選配直徑90 mm的CIR-90沖擊器、直徑90 mm鉆頭。直徑50 mm的鉆桿(1 m/根)含在鉆機設備內。

3) 封孔器：選用BQF-100型，受風壓0.7 MPa，堵孔時向孔內輸送黃土細砂。

4) 炸藥：采用二級煤礦許用乳化炸藥，防靜電塑料殼包裝，規格：直徑60 mm，長度550 mm，單位重量3.5 kg/m，聯結方式為絲扣聯結式。二級煤礦許用乳化炸藥的主要性能指標如下：

猛度≥10 mm

爆力≥250 ml

爆速≥3 200 m

殉爆距離≥30 mm

5) 導爆索：選用煤礦安全防水抗拉導爆索，其主要性能參數如下：

藥量：12 g/m

外徑：6.2 mm

爆速>5 500 m

抗熱性能：置于50℃+3℃環境6 h，外觀及性能不變。

防水性能：浸入水中1 m，1 h后導爆性能不變。

6) 雷管及發爆器：選用毫秒延期電雷管，利用MFB-100型電容式發爆器起爆。

8 結 論

通過設計計算，采用煤礦許用乳化炸藥對堅硬難冒頂板進行深孔爆破處理，強制將頂板放下來，理論上是可行的,但在實際工作中還存在一下問題必須注意：

1) 所有炮孔同時起爆，炸藥量大，安全警戒距離必須大于300 m。

2) 每一個炮孔在充填堵孔的主要工作結束后，孔口處應預留不小于0.5 m的空段，用于放置連接好的導爆索及毫秒延期電雷管，最后用黃土將孔口預留段封堵密實，防止毫秒延期電雷管及出露在堵孔水泥外的少量導爆索起爆時產生的火焰。

3) 穿過堵孔水泥的導爆索在起爆時會產生約d5 mm孔徑的空洞，但由于炸藥爆炸的瞬間會使中部充填的黃土細砂迅速被壓縮密實，裝藥段產生的爆炸氣體通道被切斷，因而消除了空洞的影響。

收稿日期 2010-07-26

[1] 耿獻文.礦山壓力測控技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2002:135-138.