林華煤礦綜采工作面厚硬砂巖頂板深孔的預裂爆破技術(shù)方案

江甫懷

(國家電投集團 貴州金元貴州林華礦業(yè)有限公司，貴州 金沙 551800)

對深部煤層進行開采時，厚硬頂板將支架壓壞或壓死的情況時有發(fā)生，而且厚硬頂板因具有良好整體性、強度高、冒落困難，若未能及時處理，將產(chǎn)生大面積的懸頂，有垮落危險，因此，需制定有效的深孔預裂爆破技術(shù)方案。

1 林華煤礦綜采工作面概況

2098工作面位于華礦井二采區(qū)的東翼，其地面標高為+1 210～+1 343 m，實際埋深264～407 m，煤層走向和傾向長分別為505 m和170 m，傾角8°～12°，總開采面積85 850 m2。通過揭露分析，9#煤層結(jié)構(gòu)相對簡單，無夾石。

2 爆破設計

在國內(nèi)外，爆破強制放頂技術(shù)主要有以下兩種：沿切眼頂板爆破強制放頂和沿風巷、機巷鉆平行工作面超前深孔爆破放頂。超前松動方法對煤層的地質(zhì)和技術(shù)條件適應性強，對工作面正常回采影響較小，所需專用設備少，并使完整性較好的頂板改變?yōu)槿斯ち严栋l(fā)育的頂板，使不易冒落的頂板改變?yōu)橐酌奥漤敯澹瑴p少采空區(qū)的懸頂面積，消除壓力集聚。

采用鉆孔直徑為113 mm的鉆機打眼，炸藥選用直徑為63 mm的煤礦瓦斯抽采水膠藥柱(即由特制的三級煤礦許用水膠炸藥制作而成的深孔爆破藥柱，每米3.3 kg)。雷管采用煤礦許用電雷管起爆。

2.1 循環(huán)步距

在采區(qū)中對所有頂板部位都要進行松動爆破，以此實現(xiàn)將巖石軟化，使頂板達到與工作面良好配合冒落的目標，但是這樣做的工作量會很大，需要的成本高。對此，首先要確定適宜的循環(huán)步距，循環(huán)步距應比采場支架能承受的周期來壓步距小，確保堅硬頂板可以按照合適的循環(huán)步距進行有序冒落。循環(huán)步距主要和頂板中裂縫發(fā)育情況、巖性及厚度等因素有關(guān)，需要綜合考慮頂板來壓規(guī)律、巖石力學性質(zhì)及砂巖的厚度，本次循環(huán)步距取20 m。

2.2 放頂高度

在確定適宜的放頂高度過程中，為了保證緩沖作用，并為老頂來壓過程中防治暴風威脅奠定良好基礎，需要遵循矸石墊層實際厚度不能比采高小的基本原則，從而減小支架受到的沖擊。頂板深度按下列公式進行計算：

H=M/(Kp-1)(1)

式(1)中，M為采高，m；Kp為巖石經(jīng)破碎以后的體積膨脹系數(shù)，取1.3。

2.3 炮孔角度

炮眼角度是保證堅硬頂板爆破放頂高度和長度的一個重要參數(shù)，傾角過大，導致爆破沿煤層傾向方向爆破范圍縮小，炮眼數(shù)目增多，工作量增大；傾角過小，雖然可以增大煤層傾向的爆破范圍，但裝藥位置與頂板的距離減少，爆破后可能導致頂板過于破碎，采煤時頂板難于管理，因此，必須確定合理的炮眼角度。炮眼角度與炮眼深度、煤層傾角、頂板處理高度、炮眼開孔位置與頂板的距離有關(guān)。炮眼角度一般有兩個方向角，即側(cè)向工作面水平角和仰角。如果設計水平角，將使炮眼長度和仰角加大，鉆眼定位相對復雜，裝藥難度加大；另外，側(cè)向工作面的角度一般為10°～15°，對放頂效果影響甚微。因此目前較多地采用炮眼方向與工作面平行，不考慮水平角。

2.4 炮孔深度

超前深孔爆破的炮孔長度主要與切眼的長度及煤層傾角因素有關(guān)。當切眼的長度小于120 m時，采用單向鉆孔，也就是從回風平巷向頂板進行鉆孔，為減少機巷受到爆破施工的影響，機巷和孔底之間的水平距離應大于20 m。如果切眼長度超過120 m，采用雙向鉆孔，炮孔孔底在水平方向上的距離應大于10 m。對炮孔深度進行計算時，應先確定爆破的長度，也就是水平方向上炮眼投影長度，然后根據(jù)這一長度，結(jié)合炮孔的傾角對炮孔深度進行計算。

2.5 炮孔間排距

待強制放頂結(jié)束以后，裂隙帶實際寬度應滿足要求，一旦寬度超出允許范圍，雖對冒落有利，但可能導致頂板太過破碎，使采煤過程中頂板管理工作變得十分復雜和困難，同時鉆孔以及爆破等的工作量均大幅增加。為了使堅硬頂板也可以在要求的時間段內(nèi)完成冒落，需要確定符合實際要求的爆破寬度。爆破寬度實際上就是炮孔排數(shù)量，它受切眼長度因素影響，即切眼的長度相對較短時，頂板必定會受到持續(xù)夾制作用，確保懸空頂板處在相對較好的穩(wěn)定狀態(tài)，但容易產(chǎn)生相對較大的裂隙帶。待爆破結(jié)束后，不同的裂隙將匯聚成一個整體裂隙網(wǎng)。

目前最為常用的對爆破裂隙圈的半徑進行計算的公式為：

(2)

式(2)、(3)中，Rp為松動圈半徑；α為應力波的衰減值，α=2-v/(1-v)；D、ρ0分別為炸藥的爆速與密度；rc、rb分別為藥包和炮孔的半徑；St為巖體平均抗拉強度；v為泊松比；n為壓力增大系數(shù)，在8～11范圍內(nèi)取值。

3 爆破方案

由于2098工作面前期已經(jīng)開采了一段距離，因此，此次爆破主要采用沿風巷、機巷鉆平行工作面超前深孔爆破放頂?shù)募夹g(shù)方案。

(1)切眼爆破。第一次爆破，工作面煤壁和運輸巷之間的間距為18 m，和回風巷之間的間距為31 m，爆破高度確定為50 m。深孔爆破優(yōu)勢在于對生產(chǎn)的影響較小，可將頂板切斷，減小初次來壓步距，爆破參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

(2)爆破網(wǎng)路。為了使爆破網(wǎng)路能夠安全起爆，每個炮眼裝同段2發(fā)雷管或采用煤礦許用導爆索串聯(lián)藥柱，采用串聯(lián)爆破網(wǎng)路起爆，這樣能防止拒爆，保證爆破的安全性。

(3)裝藥與封孔。采用特制的藥柱進行連續(xù)裝藥，采用風動封孔機對孔口進行封堵，封堵材料為水泥漿液加華千素(水泥∶華千素=100∶1)，深孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝藥和封孔結(jié)構(gòu)

(4)起爆點位置。起爆點在機巷中，采取長距離起爆，和爆破地點之間保持200 m以上距離。

4 結(jié)論

(1)由于2098工作面前期已經(jīng)開采了一段距離，因此，此次爆破主要采用沿風巷、機巷鉆平行工作面超前深孔爆破放頂?shù)募夹g(shù)方案。

(2)經(jīng)觀測，采用以上方案實現(xiàn)了預期的預裂破斷目標，工作面支架受力和宏觀礦壓顯現(xiàn)都得到有效控制，達到安全高效開采目標，進而為相似條件下的開采積累了經(jīng)驗，同時也驗證了這項技術(shù)具有良好的可操作性。