頂板深孔預裂爆破封孔技術研究及應用

姚 杰

（晉能控股煤業集團大西煤礦，山西 晉城 048000）

1 工程概況

大西煤礦2303 工作面主要開采3 號煤層，煤層厚度1.21～4.53 m，采用一次采全高綜采工藝，全部垮落法管理頂板。工作面沿煤層底板布置4 條巷道，采用錨桿支護、錨索補強的支護方式。工作面北為23031 巷、23034 巷，主要為進風巷和運輸巷；南為23032 巷，作為回風、運輸巷，23033 巷作為輔助進風巷和皮帶巷；西為切眼，用于安裝綜采設備。工作面巷道為矩形斷面，斷面5.0 m×3.8 m。如圖1。

圖1 2303 綜采工作面巷道布置

3 號煤層直接頂為砂質泥巖和碳質泥巖，平均厚度為3.24 m；基本頂為砂巖，平均厚度為6.17 m；直接底為細粒砂巖，平均厚度0.79 m；基本底為泥巖，平均厚度5.14 m。

由于2303 工作面受本工作面和臨近工作面的雙采動影響，導致所留設巷道變形破壞嚴重，且維護困難、維護費用高。

為緩解巷道變形嚴重的問題，采用頂板深孔爆破技術，阻斷采空區上覆巖層的礦壓向煤柱方向傳遞，減小巷道頂板來壓對臨近巷道的影響，進而改善巷道圍巖變形情況，降低巷道的支護難度和支護成本。炮孔的封孔質量直接影響巷道頂板的預裂效果[1]，研究高效封孔材料及封孔技術，設計合理的深孔爆破參數，能夠有效提高爆破氣體的做功效率，減少有害氣體外溢，保證礦井生產安全高效進行[2-3]。

2 深孔預裂爆破封孔工藝

2.1 封孔材料

傳統爆破封孔材料主要為黏土炮泥、水炮泥等，封孔工藝多為人工搗實，對于大傾角深孔爆破存在封孔困難、工作量大、封孔效率低等問題。為此，研發出高效封孔材料，高效封孔材料由A、B 兩種組分的無機雙液注漿材料組成，A 料、B 料按0.8:1配比單獨加水攪拌后制備的單液材料可長時間存放不凝固、不泌水。將單液材料進行等量混合攪拌后，具有固化時間短、早期強度高、泵送性強等性能。注漿封孔的工藝，改進了傳統炮泥的封孔方式，解決了深孔爆破封孔工序復雜、黏土炮泥搗實困難的問題，實現了爆破封孔機械化作業，提高了預裂爆破的工作效率。

2.2 封孔膜袋工作原理

高效注漿封孔材料失流時間為3～8 min，在進行注漿封孔前需要對孔口進行封堵，孔口采用封孔膜袋進行封堵。封孔膜袋材質為柔性膜，該膜袋不易滲水，具有很好的密封性能。通過泵送漿液使密封袋膨脹，對孔壁產生側向壓力，進而達到堵口的作用。封孔膜袋主要包括：膜袋、單向閥、堵頭、注漿管和快速接頭。封孔膜袋示意圖如圖2。

圖2 封孔膜袋示意圖

工作原理：漿液通過注漿管與封孔膜袋的快速接頭連接，漿液通過單向閥進入袋體。當膜袋內充滿漿液并滲出少量水，同時膜袋無法拉動時，膜袋內漿液充滿。待漿液凝固后，高效封孔材料達到封孔強度，封堵孔口工藝結束。

2.3 封孔工藝流程

封孔長度是決定爆破效果的關鍵因素，封孔長度參數的合理選取以及準確控制直接影響爆破質量。因此，為保證封孔長度準確達到設計要求，針對新型高效封孔材料，設計出一種準確控制封孔長度的封孔施工工藝。具體工藝流程如圖3。

圖3 封孔施工工藝示意圖

封孔膜袋為中空結構，將進漿管和返漿管通過膜袋插入炮孔中。其中，進漿管與返漿管直徑為10 mm，返漿管插入孔底的深度應大于進漿管，才能實現返漿的目的。返漿管在炮孔中的深度即為封孔深度，該封孔工藝能夠保證封孔長度的準確性。

具體封孔順序為：（1）將高效封孔材料按A料和B 料分別倒入制漿桶內攪拌，水料比為1:0.8。A 料漿液和B 料漿液通過混合管路混合。（2）將混合管與封孔膜袋的快速接頭連接，對膜袋進行注漿。膜袋封孔結束后，停止氣動注漿泵注漿。（3）將混合管從膜袋快速接頭取下，連接到進漿管，繼續注漿封孔，直到返漿管出現漿液停止注漿。待漿液凝固后，炮孔封孔結束。

3 深孔爆破工業性試驗

為檢驗爆破封孔技術現場使用效果，在大西煤礦2303 工作面23031 巷道進行頂板深孔預裂爆破工業性試驗。

3.1 炮孔參數設計

炮孔位置位于煤柱幫側，考慮到現場工況條件，設計炮孔位置距煤柱幫側距離S為0.7 m。鉆孔與巷道斷面夾角α為0°，鉆孔與巷道走向方向的夾角β為75°。

根據頂板深孔預裂爆破技術原理，爆破切頂卸壓頂板超前預裂高度H0需要能夠覆蓋到2303 工作面的關鍵承載結構。2303 工作面上覆巖層中，中粒砂巖和粉砂巖分別為第一和第二關鍵層，切縫高度需切過第二關鍵層。設計高度H0為30.3 m，鉆孔深度H設計為31.5 m，鉆孔直徑Φ為75 mm，鉆孔間排距L為2.0 m。炮孔參數設計圖如圖4。

圖4 炮孔參數設計圖（m）

合理的封孔長度是保證預裂爆破效果的關鍵。封孔長度過短，炮孔的密封性得不到保證，爆炸沖擊壓力出現外泄，進而對炮孔側向的預裂作用減弱，爆炸產生的有害氣體可能外溢到巷道，對工人健康產生危害；封孔長度過長，爆破預裂的深度減小，上覆巖層關鍵層可能出現不完全斷裂的情況。針對深孔預裂爆破施工工藝，封孔長度一般為鉆孔深度的30%左右[4]，因此設計封孔長度為9.5 m。具體炮孔參數匯總表見表1。

表1 炮孔參數匯總表

3.2 深孔爆破封孔施工及效果檢驗

現場封孔施工采用水料比1:0.8 的高效封孔材料，封孔長度為9.5 m。通過計算單孔所用封孔材料質量不少于60 kg，A 料和B 料包裝均為40 kg 一袋。考慮到注漿余量，每個炮孔A 料和B 料各使用一袋。注漿設備有SQZB40/20 雙液氣動注漿泵及QB100 型氣動攪拌機。

高效封孔材料現場注漿封孔施工工序為：（1）準備工作。將注漿封孔設備放置在炮孔附近，將注漿泵和攪拌桶按管道進行連接。按封孔長度截取注漿管和返漿管，將注漿管、返漿管和封孔膜袋插入到炮孔中，封孔膜袋底部距孔口約0.3 m。（2）制漿。在裝藥完成前5 min，按設計的水料比分別向A、B制漿桶加水，打開攪拌系統，加入高效封孔材料攪拌均勻。（3）注漿。注漿包括孔口封堵和孔段封孔兩部分，具體施工工藝在2.3 節做了詳細介紹。（4）清洗設備。注漿結束后，馬上用清水清洗注漿設備和注漿管路，防止漿液凝固，造成管路堵塞。

通過對現場施工情況以及爆破預裂效果分析，高效封孔材料有效地解決了深孔爆破難以封孔的問題，且單孔封孔時間平均為15 min，單次爆破3 個炮孔，總耗時4 h 左右，極大提高了深孔爆破的作業效率。炮孔在爆破后，巷道頂板注漿管、炮線以及封孔材料無損傷，頂板未發現明顯損傷，瓦斯含量沒有明顯增加，說明高效封孔材料應用于深孔預裂爆破取得了很好的封孔效果。

4 結論

（1）針對深孔預裂爆破難以封孔的問題，研發出高效封孔材料，該材料具有固化時間短、早期強度高、泵送能力強等性能。提出了一套完整的深孔注漿封孔施工工藝流程，有效解決了深孔爆破封孔的難題，提高了爆破作業效率。

（2）在大西煤礦23031 巷道進行深孔爆破工業性試驗，并對炮孔參數進行設計，極大提高了深孔爆破的作業效率。