爆破裝藥結構對切頂卸壓沿空留巷切縫效果研究

成升升,糜瑞杰

(晉能控股煤業集團東瑞煤礦,山西 臨汾 042400)

切頂卸壓留巷以煤炭回收率高、重大災害事故低等優勢[1-2],已在我國多個煤礦推廣應用[3-7]。張賽一[8]等人對頂板破碎出現偽頂情況下的切頂參數進行了研究,但是目前的研究主要是針對切頂高度、切頂角度以及切頂間距等參數的研究,關于切縫爆破方式以及裝藥結構的研究比較少。本文對山西某煤礦初采工作面的切頂卸壓爆破方式及裝藥結構對切頂縫的影響進行了分析研究,可為類似工程切頂卸壓爆破方式選取，以及裝藥結構選擇提供參考。

1 工程概況

東瑞煤業2101首采工作面位于山西組2#煤層,煤層厚0.80～1.00 m,平均0.89 m,頂板為泥巖或砂質泥巖,底板為泥巖。工作面綜合柱狀圖如圖1所示。2101工作面長度180 m,其待留巷順槽是輔運順槽,輔運順槽切頂鉆孔爆破后,落矸成巷,

圖1 工作面綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of working face

采用U型鋼+鋼筋網進行聯合擋矸支護和噴涂高分子材料密閉巷道,可為下一個工作面服務。斷面為矩形,掘寬×掘高=4 000 mm×3 000 mm。

2 爆破方案

2.1 鉆孔方案

通過理論計算和工程經驗可以得出能夠確保切縫效果的可靠鉆孔方案,具體方案如表1所示。

表1 可靠鉆孔方案的關鍵參數Table 1 Key parameters for a reliable drilling plan

在順槽內與豎直方向呈20°夾角,打設深度為4.5 m,直徑為50 mm的切頂孔,爆破使用3節1.0 m的PVC聚能管裝藥,封堵不小于1.5 m。鉆孔示意圖如圖2所示。

圖2 鉆孔示意圖Fig.2 Drilling diagram

2.2 爆破方式

為了確保實現預裂頂板的同時能夠對巷道頂板進行保護,故采取定向聚能切頂爆破技術。該技術只需要在切縫線上施工放炮,僅產生貫通裂縫,具有爆破炸藥單耗低與對周圍巖石損失小的優點。具體原理是通過預先在爆破孔內安裝聚能裝置,聚能裝置上設有定向聚能槽,爆破時從槽內釋放能量流,實現定向爆破補強。聚能爆破實質上是通過聚能裝置使爆轟產物在孔壁非設定方向上產生均勻壓力,而在兩個設定方向上產生集中拉力,依靠巖石抗壓怕拉的特性,使巖石按設定方向斷裂,從而實現被爆巖體按設定方向張拉斷裂成型[9]，如圖3所示。

圖3 聚能爆破張拉原理圖Fig.3 Tension principle of cumulative blasting

2.3 設計裝藥結構

針對初步鉆孔方案設計中給出的鉆孔深度,以4.5 m孔深為例,設計以下裝藥結構用于開展試驗。

裝藥結構:單卷裝藥3.0 m,采用雷管起爆,0～0.8 m采用單卷裝藥,1～1.6 m采用單卷裝藥,2～2.4 m采用單卷裝藥,裝藥量為1.8 kg,封堵長度不小于1.5 m,如圖4所示。

圖4 設計裝藥結構圖Fig.4 Charge structure

2.4 實際裝藥結構

原方案中設計了三種裝藥量1.8,2.0,2.2 kg,為安全考慮,選擇裝藥量較小的裝藥結構。實際試驗時,由于原設計炸藥無法裝入聚能管,因此更換炸藥為300 g/卷,更換炸藥后的裝藥結構如圖5所示,裝藥卷數為3+2+1。

圖5 實際試驗裝藥結構圖Fig.5 Test charge structure

3 爆破效果評價分析

3.1 爆破試驗方案效果分析

爆破后,由于頂板巖性較破碎,孔A和孔B附近的頂板出現小坑,尺寸約 1.5 m×1.0 m×0.5 m(長×寬×深)；孔C的孔口處出現輕微破壞,如圖6所示。巖石表面的孔間未發現明顯的貫通切縫。

圖6 切縫爆破效果圖Fig.6 Slit blasting effect

采用巖層探測儀對孔壁進行窺視,可以發現在位于中間的孔B中,封堵段0～1.0 m段未發現切縫裂隙,1.0～1.5 m逐漸出現切縫的輕微裂隙。進入裝藥段后,孔壁兩側的切縫效果明顯,但也存在孔壁過度破壞的現象,如圖7所示。

圖7 首次試驗孔內窺視效果圖Fig.7 Peeping effect inside the hole of the first test

3.2 改進后爆破裝藥結構及效果分析

頂板較破碎導致不可避免地出現孔口巖石破壞掉落。然而試驗組孔間未發現貫通的切縫,但是裝藥段存在明顯的切縫和孔壁過度破壞的現象,因此考慮應在保證不增加裝藥量的情況下,調整裝藥結構。如圖8所示,將最外一節聚能管的炸藥放置于底端,增強對封堵段巖石的爆破作用,同時降低對裝藥段的過度破壞。

圖8 改進后的裝藥結構圖Fig.8 Improved charge structure

在頂板較為破碎的區域仍出現了孔口爆坑,尺寸相似,雖然爆破后頂板表面沒有很明顯的可見裂隙,但發現爆坑輪廓與切縫線有一致的規律。切頂孔位于頂板完整性較好的位置,孔口破壞程度很小,如圖9所示。

圖9 改進后切縫爆破效果圖Fig.9 Improved slit blasting effect

采用巖層探測儀窺視孔壁發現，封堵段破碎程度相對試驗段明顯變大,裝藥段有兩側裂隙,但仍存在孔壁過度破壞的現象,如圖10所示。

圖10 改進后孔內窺視效果圖Fig.10 Improved peeping effect inside the hole

3.3 爆破效果分析

從現場情況來看,試驗段前期由于鉆孔車改造,鉆孔采用錨桿鉆機鉆孔,錨桿鉆孔機存在鉆孔直徑不匹配,切頂孔成型質量差等缺陷,爆破切縫效果不如后期鉆孔車改造后施工的鉆孔爆破效果好。

在進行炮孔起爆時,由于工人疏忽,最后一個炮孔未接線,再進行漏掉的炮孔單獨接線時,發生了拒爆問題。因此在施工現場必須配備專業的放炮員,負責雷管腳線和放炮母線連線工作的檢查。

試驗鉆孔施工時由于工人操作不熟練,存在鉆孔位置偏差。在安裝聚能管時,存在聚能管切縫方向存在偏差的問題,影響了切縫效果。

通過對實驗組與改進組的裝藥結構及爆破效果進行研究,發現切頂孔所在頂板的完整程度與封堵質量決定了爆破后的頂板破壞程度,裝藥段決定了爆破后的切縫效果。尤其對于切頂孔位于頂板本身比較破碎的位置,不可避免地出現孔口巖石破壞掉落,形成爆坑,而無法形成貫通縫。因此在頂板較為破碎的切頂孔區域,在設計封堵長度的基礎上可以將裝藥結構最外一節聚能管的炸藥放置于底端,增強對封堵段巖石的爆破作用的同時盡可能減少對頂板的破壞。

通過對比實驗組與改進組可以發現,封堵段的切縫相對較少,因此可以在頂板較為完整的切頂孔區域適當縮短封堵長度,增強對封堵段巖石的爆破作用。對于本區域的頂板巖石條件而言,切頂孔位于頂板較為破碎的位置,炮孔封堵長度不得低于1.5 m;切頂孔位于頂板較為完整的位置,炮孔封堵長度可以取為1.3 m。

3.4 巷道成形效果分析

目前,2101綜采工作面已推進70 m,工作面頂板已于推進25 m時全部順利垮落。從留巷順槽現場情況來看,工作面端頭端尾頂板垮落滯后于工作面中部。這是由于在施工初期,工人施工不熟練導致爆破切頂鉆孔存在錯位的情況,整體而言改進后的爆破切頂效果較好,頂板垮落未沖破擋矸支護,說明東瑞煤礦2101工作面選取切縫角度20°,切頂孔深度4.5 m,直徑50 mm,孔間距0.6 m的爆破切頂參數較為合理,成巷效果良好。

3.5 切縫施工經驗與建議

1)鉆孔應保持在平行順槽的一條直線上,裝藥時聚能管切縫方向必須保持平行于順槽方向,可以有效地提高切縫貫通程度。

2)鉆孔優先采用切頂鉆車,對于施工空間狹窄的地段可采用錨桿鉆機,鉆頭保證每5個孔更換一次。

3)裝藥施工可由工人完成,但雷管腳線和放炮母線的連線工作必須由放炮員檢查完成,以防止爆破過程中出現漏爆、拒爆的情況。

4 結論

通過對裝藥結構進行研究發現,在選擇切頂孔裝藥結構時,通過合理的選擇和試驗裝藥結構可以有效地提高切頂成縫效果。

在設計實驗方案時,應當優先考慮裝藥較少、安全性較好的裝藥結構。通過現場實驗發現,改進炸藥安裝順序與封堵長度可以有效地提高貫通縫的質量。

切頂孔所在頂板的完整程度與封堵質量決定了爆破后的頂板破壞程度,裝藥段決定了爆破后的切縫效果。在頂板較為破碎的切頂孔區域,為保證封堵段的切縫效果,可以在設計封堵長度的基礎上將裝藥結構最外一節聚能管的炸藥放置于底端;在頂板較為完整的切頂孔區域,可以適當縮短封堵長度。