爆破切頂卸壓技術在小煤柱留巷中的應用

王 帥

(晉能控股煤業集團 晟泰礦山技術服務分公司， 山西 晉城 048000)

隨著礦井煤炭開采強度加大，為節約煤炭資源，延長礦井服務年限，必須減小煤柱尺寸。但經過現場實踐發現，小煤柱留巷鄰近工作面的側向支承壓力和現采工作面的超前壓力在煤柱上方疊加引起應力集中，導致留設的小煤柱壓酥破壞、留巷變形量大、巷道維護成本高，留巷常常失敗[1-2]. 因此，開展了小煤柱留巷爆破切頂卸壓技術研究，壓裂小煤柱深部圍巖，將煤柱支承壓力釋放、轉移至其他區域，以改善巷道應力環境，保證小煤柱留巷效果。

1 工程概況

晟泰公司青洼煤業2104工作面開采煤層為2號煤，煤層中夾0～1層夾矸，傾角為5°～7°，平均6°，硬度f=2.7～3.2，煤層平均厚度為4.66 m，穩定可采。基本頂為泥巖，厚3.25 m；直接頂為粉砂巖，厚4.0 m；直接底為泥巖，厚1.5 m；基本底為粉砂巖，厚7.0 m. 圍巖柱狀圖見圖1.

圖1 圍巖柱狀圖

2104綜放工作面北部為相鄰煤礦采空區，南部為2103工作面。21041巷為留巷巷道，巷道尺寸為寬4.0 m×高2.7 m，留有5 m寬小煤柱護巷，受2103、2104工作面雙重采動影響，導致小煤柱疊加應力集中、巷道易變形失穩，巷道布置見圖2.

圖2 巷道布置圖

2 爆破切頂卸壓技術

為保證小煤柱留巷效果，減弱和轉移工作面超前支承壓力和側向支承應力對21041巷的影響，保證留巷效果，在2103工作面回采前，對21031巷進行切頂卸壓爆破。

2.1 爆破參數設計

1) 鉆孔角度。

鉆孔傾角α是指在巷道斷面圖中，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。傾角α略偏向采空區能夠縮短煤柱上方頂板懸臂梁長度，減少對煤柱上方頂板破壞。傾角β過小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。通過理論分析、數值計算、現場試驗等方法，研究得出，當α=10°、β=75°時，綜合效果最佳。理論上鉆孔開孔處與巷道煤柱側巷幫的距離越小越好[3]，但由于頂板鉆機需要作業空間,方便頂板鉆機施工等客觀因素，結合21041巷頂板支護情況及鉆機設備等情況，確定鉆孔位置距煤柱幫0.8 m處。

2) 鉆孔直徑和間距。

所選炸藥d45 mm，結合工作面頂板巖性、深孔爆破預裂經驗以及施工進度等要求，設計鉆孔d75 mm. 在施工鉆孔時，選用d75 mm鉆頭，d63 mm鉆桿。鉆孔間距為2 m，可根據具體爆破效果作相應調整。

3) 切頂高度。

2103工作面頂板堅硬巖層分布見表1，經過分析得出，C5粉砂巖為主關鍵層，主關鍵層控制著其上所有巖層，它們隨主關鍵層運動而同步運動，協調變形，根據關鍵層理論，爆破切斷主關鍵層能夠達到最佳的卸壓效果，因此切頂高度需超過主關鍵層，切斷21031巷上方與頂板主關鍵層聯系，才能起到最佳卸壓作用。因巷道高度為2.7 m，頂板上有約1.5 m厚的頂煤，因此爆破垂直切頂高度應為h=1.5+4.0+3.25+2.5+4.0+0.13+2.7=18.08 m. 結合鉆孔傾角β=75°，爆破鉆孔深度(斜長)為H=18.08/sinβ=18.08/sin75°=18.72 m，鉆孔布置見圖3.

表1 2103工作面頂板上覆巖層分布表

圖3 切頂鉆孔布置示意圖

4) 裝藥密度與裝藥結構。

炸藥為礦用三級乳化炸藥，炸藥d45 mm，長L=500 mm，重量m=0.8 kg. 根據工程經驗，不耦合系數為1.30

根據《煤礦安全規程》規定，深孔爆破封孔長度不低于孔深的1/3. 因此，設計裝藥長度12 m，封孔長度6.72 m. 一般爆破工程中，泥巖裝藥集中度取0.75 kg/m，細粒砂巖裝藥集中度取1.3 kg/m，據此計算裝藥量為2.34×0.75+9.53×1.3=14.14 kg，共計使用18根藥卷。爆破鉆孔內采用不耦合方式間隔裝藥，采用雙雷管，雙導爆索引爆，每一根導爆索均采用瞬發電雷管起爆，2個雷管采用并聯連接。

2.2 爆破快速裝藥技術

1) 裝藥前準備工作。

為避免因塌孔引起裝藥安全風險，每次裝藥前必須對炮孔的狀況進行確認，對于不能順利探到底的炮孔禁止裝藥，可暫時擱置，待重新套孔后再次探測，直至滿足要求后可進行爆破施工。為便于操作，設計了探孔組合桿，見圖4. 探桿由兩部分組成，探頭長度400 mm，木制，頂端為陀螺型，以方便操作，探桿為四分鋼管加工，每節1 m，用接箍連接。

圖4 探桿示意圖

2) 裝藥方式。

傳統的裝藥方式是將乳化炸藥包裝拆開，將炸藥裝進注藥槍，通過注藥槍將乳化炸藥注射進爆破管，該方式操作流程復雜，耗時較長，且存在安全隱患。為提高施工效率及施工效果，設計了PVC材質，帶有雙向聚能穴的爆破管。該爆破管由主體和滑槽蓋板組成，斷面為橢圓形。裝藥時將乳化炸藥兩端剪開，連炸藥包裝皮一起按壓進入聚能管，扣上蓋板完成裝藥，該方式省時省力，安全系數和裝藥效率大大提高。

3) 安裝方式。

聚能管之間采用連接件相連，既能保證連接強度，又可彎曲一定撓度。在接口位置安裝“十字”型倒刺，防止聚能管在安裝過程中下墜，以上措施奠定了快速裝藥的基礎。炸藥可在施工巷道內一次性裝藥完畢，然后整體推送進爆破孔，經實驗室模擬，單孔裝藥時間約6分鐘，較傳統炸藥安裝方式時間縮短了70%以上。

3 現場試驗及效果考察

3.1 現場施工組織

采用“三八”制作業，每班8 h，每班3人。采用快速裝藥技術后，炸藥可一次性裝藥完畢，然后整體推送進爆破孔。單孔裝藥時間約6 min，較傳統炸藥安裝方式時間縮短了70%以上。

3.2 煤柱應力觀測

1) 測點布置。

為掌握煤柱內部應力變化，對窄煤柱進行鉆孔應力監測，共布置7個測點，7個測點深度分別為1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m，測點間距為5 m.

2) 煤柱應力觀測分析。

爆破切頂后煤柱應力變化見圖5. 由圖5可知，實施爆破切頂后，沿工作面傾向，窄煤柱內垂直應力變化隨測點距煤柱幫距離的變化而變化，峰值基本出現在2.5 m范圍處，5 m煤柱應力分布較均勻，承載力較強[4].

圖5 爆破切頂后煤柱應力變化圖

3.3 巷道變形觀測

在21041巷布置表面位移測站，位移變化見圖6. 由圖6可知，隨著2103工作面回采推進，21041巷變形逐漸增加，當工作面推過測站80 m后，巷道變形逐漸趨于穩定，最終21041巷頂板沉降值不超過50 mm，底鼓量不超過150 mm，兩幫移近量不超過200 mm，巷道變形量較小，滿足巷道正常使用要求。

圖6 21041巷位移變化圖

4 結 論

1) 根據青洼煤業工作面頂板條件進行了爆破切頂卸壓的鉆孔設計、切頂高度設計、裝藥設計等，并提出了爆破快速裝藥技術，該技術省時省力，安全系數和裝藥效率大大提高。

2) 采用爆破切頂卸壓技術有效地轉移和釋放了煤柱支承壓力，小煤柱應力分布較均勻，承載力較強。21041巷頂板沉降值不超過50 mm,底鼓量不超過150 mm，兩幫移近量不超過200 mm，巷道變形量較小，爆破切頂卸壓效果顯著，確保了5 m小煤柱的留巷成功。