綜放工作面深孔聚能爆破卸壓技術研究

焦云飛

（晉城藍焰煤業股份有限公司 成莊礦，山西 晉城 048000）

0 引 言

成莊礦主采山西組3 號煤層，煤層平均厚度約6.0 m，工作面采用多巷布置，綜采工作面采高大、工作面長、推進速度快，礦壓顯現強烈。復用巷道的維護一直是困擾礦井安全生產的難題，通過提前深孔預裂頂板，阻斷采空區上覆巖層的礦山壓力向煤柱方向傳遞，減小或消除復用巷道的有害變形，保證圍巖的整體完整性，避免巷道圍巖變形破壞后進行二次甚至多次巷修，降低了巷道的支護難度和支護成本，保障工作面安全高效生產，提出綜采工作面深孔聚能爆破卸壓技術[1-4]。

1 工作面概況

5334 工作面位于一水平五盤區，煤層為3 號煤層，走向長度共計1 270 m，傾斜長度221 m，平均煤厚6 m。該工作面位于五盤區大巷以北，5314 大采高工作面以西，5316 工作面以東。5314工作面已回采完畢，5316 工作面還未形成。工作面采用“兩進一回”方式布置巷道，工作面巷道即53341 巷（斷面5 m×3.2 m），53342 巷（斷面5.0 m×3.2 m）、53343 巷 （斷面 5.0 m×3.2 m） 及切眼（斷面8.5 m×3.0 m），主要采用全錨支護，部分巷道采用錨網支護。53341 巷為主進風巷（運輸巷）、53343 巷為輔助進風巷（皮帶巷）、53342 巷為回風巷，5334 工作面巷道布置如圖1 所示。

圖1 5334 工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of 5334 working face

2 深孔聚能爆破卸壓技術原理

深孔爆破預裂卸壓的實質是通過在頂板內布置爆破孔，借助聚能爆破實現定向切縫，減小采空區側懸頂長度，達到復用巷道卸壓目的，如圖2 所示。其中，定向預裂是卸壓護巷的關鍵和基礎。采用普通裝藥爆破工藝，爆破沖擊波易向孔內四周擴散，壓力作用分散，爆轟能量很大部分被消耗在破碎巖石上，裂隙產生沒有特定規律，爆轟能量作用如圖3（a） 所示。頂板深孔聚能爆破技術充分利用巖石“抗壓不抗拉”的特性，提出雙向聚能張拉爆破成型技術，聚能爆破作用如圖3（b） 所示。現場實施過程中，爆轟能量按照預先設定的方向瞬間釋放，形成強力氣楔力并集中作用于設定方向，巖層受到的張拉力遠大于其抗壓強度，孔內貫通裂隙產生［5-7］，如圖3 所示。

圖2 爆破預裂卸壓原理示意Fig.2 Pressure relief principle of blasting pre-splitting

圖3 2 種爆破模式下頂板巖體裂隙發育趨勢預測Fig.3 Prediction of crack development trend of roof rock mass under two blasting modes

3 鉆孔參數設計

3.1 鉆孔位置

鉆孔位置S 即鉆孔開孔處與巷道煤柱側巷幫的距離，理論上鉆孔位置S 越小越好，但由于頂板鉆機需要作業空間和方便頂板鉆機施工等客觀因素，鉆孔位置S 通常需要取一定數值。結合53343 巷頂板支護情況及對履帶式鉆機設備等情況的調研，確定爆破鉆孔與煤柱幫距離S=700 mm，如圖4 所示。

圖4 鉆孔位置示意Fig.4 Drilling position

3.2 鉆孔傾角α 和β

鉆孔傾角α 是鉆孔與豎直方向的夾角，傾角β是指在巷道中線剖面圖中，鉆孔與水平方向的夾角。爆破鉆孔傾角α 要考慮爆破后，預裂線上方基本頂懸露長度等影響因素，理論上傾角α 略偏向采空區效果最佳，不僅能夠最大程度的縮短煤柱上方頂板懸臂梁長度，而且能夠減少對煤柱上方頂板完整性的破壞，但53343 巷為皮帶巷，鉆機施工條件受限，因此傾角α 設計為0。傾角β 過小則需要增加爆破孔深度及炸藥量，過大則給快速裝藥操作造成很大的困難，綜合以上情況及以往施工經驗，設計β=75°，如圖5 所示。

圖5 爆破鉆孔傾角β 示意Fig.5 Angle β of blasting borehole

3.3 爆破高度

根據爆破預裂卸壓技術原理，影響復用巷道穩定的主要因素為側向支承壓力的分布規律，側向支承壓力的形成是采空區基本頂將其自身重量及其承受的載荷向采空區周邊轉移的結果，下位基本頂的大部分載荷主要由采空區承擔，而上位不易垮落的基本頂破斷后繼續以巖梁的形式將載荷傳遞至采空區周邊，是影響側向支承壓力分布的重要影響因素。采空區上方頂板殘留邊界主要位于基本頂內，因此確定爆破高度為基本頂的上邊界。

基本頂厚度計算可采用以下公式：

式中：mz 為基本頂厚度，m；h為采高，取6.3 m；Sa 為巖梁觸矸處沉降值，一般取0.15 ～0.25，此次取值0.2；Ka 為巖梁觸矸處冒落巖層碎漲系數，一般取1.3 ～1.5；泥巖取1.3。

代入公式計算，mz=20.33 m，因此爆破高度H0=20.33 m，炮孔深度L=H0/sinβ=20.33/sin（75°）=21.05 m。

4 深孔聚能爆破卸壓效果評價

為驗證頂板深孔聚能爆破效果，在53342 巷內布置多組表面位移測站，取其中一處巷道變形情況進行說明，頂底板及兩幫移近量如圖6 所示。隨著工作面逐步推進，巷道圍巖變形量均呈增大趨勢。與未采取卸壓措施巷道相比，卸壓段巷道兩幫移近量最大值由350 mm 降低為180 mm，頂底板移近量最大值由600 mm 降低為450 mm。通過現場監測表明，采取頂板深孔爆破卸壓措施有效控制了復用巷道圍巖有害變形，為礦井類似條件下復用巷道維護提供寶貴經驗。

圖6 爆破卸壓前后巷道圍巖變形曲線Fig.6 Deformation curve of surrounding rock before and after blasting pressure relief

5 結 語

通過在53343 巷煤柱側提前進行頂板深孔聚能爆破施工，減小采空區側懸頂長度，減弱上覆巖層作用于區段煤柱的強度，達到復用巷道卸壓的目的。經現場監測表明，與未采取卸壓措施巷道相比，53342 巷卸壓段巷道兩幫移近量最大值由350 mm 降低為180 mm，頂底板移近量最大值由600 mm 降低為450 mm，頂板深孔聚能爆破卸壓有效控制了復用巷道變形，取得良好的經濟效益。