基于深孔預裂爆破的工作面堅硬頂板弱化技術研究

郭慶峰,宋江濤,靳毅軍,王學敏

(山西潞安化工集團 慈林山煤業有限公司 慈林山煤礦,山西 長治 046000)

潞安礦區煤層上方分布有厚度大、強度高和完整性強的堅硬頂板,給煤礦安全生產帶來了巨大的影響。不同于普通頂板條件,堅硬頂板工作面回采期間礦山壓力顯現明顯。初次來壓步距、周期來壓步距和懸頂面積都呈現出顯著增加的趨勢[1-3]。同時,長期懸露的頂板垮落過程中通常伴隨有大的能量釋放和動力顯現,部分嚴重區域甚至出現大面積頂板冒落和人員傷亡情況,增加了巷道頂板管理、通風與安全管理的難度[4-5]。為實現堅硬頂板工作面回采期間的安全穩定,有必要采取相關技術措施改變堅硬頂板的基本物理力學特性[6-7]。理論上講,采用人工致裂的方式增加頂板圍巖中的次生裂隙以及破壞頂板巖層的完整性，可以有效地改善堅硬頂板工作面回采期間的礦山壓力顯現。目前，工程現場常用的方法主要包括高壓注水弱化和爆破弱化兩種基本類型[8-11]。其中,以水壓致裂為代表的高壓注水弱化頂板巖層技術在我國部分礦區得到了成功應用。與水壓致裂技術相比,采取爆破的方式在堅硬頂板中形成人為裂隙的深孔預裂爆破技術具有更為明顯的技術經濟優勢。深孔預裂爆破技術可以有效地切斷工作面頂板,堅硬頂板破斷過程中冒落的矸石可以堆積在采空區,起到墊層的作用,吸收工作面頂板冒落過程中產生的沖擊能量,繼而保證工作面在推進過程礦山壓力的平穩顯現[12-14]。現階段,頂板預裂爆破技術主要應用于普通堅硬頂板巷道,在大斷面切眼方面的應用相對較少。

本文以山西慈林山煤礦實際生產地質條件為工程背景,選取15201工作面切眼為研究對象,開展深孔預裂爆破技術研究。首先采用理論分析方法對影響預裂效果的關鍵參數進行優化設計。在此基礎上,結合開采技術條件,確定炮孔布置、爆破方式和裝藥方式等關鍵參數。現場工業性試驗結果表明:深孔預裂爆破技術有效地增加了頂板中的次生裂隙,巷道堅硬頂板得到有效弱化,礦山壓力顯現平穩。本研究取得的相關研究成果可以為其他具有類似生產地質條件的礦井提供參考。

1 工程概況

1.1 地質概況

慈林山煤礦隸屬于山西潞安化工集團慈林山煤業有限公司,目前回采15201工作面。如圖1所示,試驗工作面15201工作面切眼位于東馬戶村南側,公路、鐵路西側。15201工作面地面平均標高+1 019.5 m,工作面平均標高+821.8 m,平均埋深230.3 m。

圖1 15201工作面采掘工程平面圖Fig.1 Mining engineering plan of No.15201 working face

15201工作面切眼為矩形斷面,長60 m,寬7 m，高3.5 m。 15201工作面切眼上方3#煤層已回采完畢,本煤層開采過程中不受相鄰煤層的采動影響。如圖2所示,工作切眼采用錨網索帶聯合支護形式,在切眼中部位置布設有木點柱進行加強支護。圖3為鉆孔結構示意圖,可以看出在15#煤層頂板上方9.2 m范圍內賦存有堅硬頂板,煤巖層完整性較好。鉆孔內依次為泥質灰巖(2.3 m)、14#煤 (1.2 m)和石灰巖 (5.7 m)。在距離鉆孔開口處1.7 m 、2.3 m、2.5 m、 3.4 m和3.6 m等位置存在顯著的煤巖離層情況。在距離鉆孔孔口0.03～0.85 m、3.36～3.78 m、4.38 m、4.71 m、4.82 m、5.35～5.81 m、6.02～6.25 m、6.79 m、7.19 m、8.17 m、8.78 m等位置發現細微裂隙和破碎區。

1.2 深孔預裂爆破技術

深孔預裂爆破技術通過采用人工爆破的方法破壞原生堅硬頂板的完整性,以實現增加原始巖體中的次生裂隙和節理的目的。在人工爆破和礦山壓力顯現的共同作用下,實現堅硬頂板的人工垮落。炸藥在爆炸瞬間產生的巨大壓力可以促使原始巖體溫度瞬間升高。在壓力和溫度的共同作用下,炮孔周圍一定范圍內形成擴腔區(圖4所示)。爆炸產生的沖擊波沿著炮孔徑向進一步擴散,直接作用于孔壁的壓力和溫度將呈現出降低的趨勢。在炮孔附近區域熔融狀的巖體將進一步被壓縮,形成具有一定范圍的壓碎圈。隨著能量被壓碎圈破碎巖體結構的吸收,衰減后的沖擊波將以應力波的形式存在。由于巖體的動態抗拉強度較低,應力波作用下巖體中將產生徑向裂縫,形成環向作用的拉應力場,并最終形成位于壓碎圈之外的裂隙圈。

圖2 切眼斷面支護圖Fig.2 Cross-section support diagram for open-off cut

圖3 切眼頂板鉆孔窺視結果示意圖Fig.3 Peeping results of roof drilling with open-off cut

圖4 預裂爆破后分區破壞示意圖[15]Fig.4 Partition failure after pre-splitting blasting[15]

圍巖在沖擊作用下沿著炮孔徑向位置承受壓應力作用,沿著環向承受拉應力的作用。在拉應力和壓應力的共同作用下,炮孔周圍巖體存在最大剪應力。由于剪應力的數值大于拉應力,而巖石的抗剪強度顯著低于抗壓和抗拉強度,因此在炮孔周圍出現了一定范圍的剪切破壞區域。同時,隨著沖擊波的衰減和能量釋放,在炮孔位置還存在環向拉伸裂隙。

2 深孔預裂爆破關鍵參數確定

2.1 壓碎圈半徑

深孔預裂爆破產生的沖擊波是形成壓碎圈的主要能量來源。為獲得深孔爆破壓碎圈的范圍,將沖擊波作用的巖體介質視為不可壓縮的流體,采用式(1)-式(3)對壓碎圈的理論半徑進行計算。

(1)

(2)

(3)

式中:rc為壓碎圈半徑,m;ρ0為炸藥的密度,kg/m3;vD為炸藥爆速,m/s;n為爆破過程中的壓力增大系數,一般取n=10;η為爆轟產物的膨脹絕熱指數,一般取3；K為裝藥徑向不耦合系數;lc為裝藥軸向系數,取1;σcd為巖體的單軸動態抗壓強度;α為載荷傳播衰減系數；rb為炮孔半徑，m；b為側向應力系數；B為中間變量;μd為煤巖體動態泊松比。

2.2 裂隙區半徑

爆破荷載作用下巖體處于一種復雜的三向應力狀態。由于巖體的抗拉強度顯著低于抗壓強度,沖擊波能量衰減轉化為應力波過程中,在壓碎圈外層將出現裂隙區。采用式(4)可以獲得裂隙區的理論半徑。

(4)

式中:rp為裂隙區半徑，m;σtd為巖體的單軸動態抗拉強度;β為衰減指數。根據慈林山煤業15#煤層頂板巖性基本力學參數測試報告提供的相關數據,取15#煤層頂板灰巖抗壓強度取64.31 MPa，抗拉強度5.98 MPa,靜態泊松比取0.24,3#乳化炸藥參數(炸藥的密度)為1 194.265 kg/m3,炸藥爆速2 800 m/s,不耦合系數1.25,計算得破碎區半徑為0.57～0.69 m,裂隙區半徑為1.55～2.46 m。

2.3 預裂高度

為保證深孔預裂爆破后堅硬頂垮落后可以填滿采空區,采用式(5)計算得到最小放頂高度:

(5)

式中:h1為工作面開采高度,取3.2 m;KP為頂板初始碎脹系數,取1.3～1.5。經計算得h=6.4～10.6 m。綜合對比理論計算結果和頂板巖層賦存條件,確定在切眼頂板中部位置施工深度為9 m的預裂爆破孔。

3 現場工程實踐

3.1 炮孔布置

15201工作面共施工炮孔39個,其中切眼炮孔29個,運輸和回風順槽炮孔各5個,施工孔總長374.4 m。炮眼布置情況參照圖5,炮孔有效長度為9.6 m,垂直切眼頂板方向,沿著走向布置,傾角為20°。運輸順槽布置炮孔5個,孔口距運輸順槽外幫2～3 m,距切眼邊界布置的炮孔口的距離為2 m,布置方位與切眼布置一致。回風順槽布置炮孔5個,孔口距回風順槽外幫2～3 m,布置方式與切眼保持一致。

3.2 爆破參數

為確保深孔預裂爆破技術的實施效果,采用ZLJ-350煤礦用坑道鉆機,配合直徑60 mm鉆桿和直徑75 mm金剛石鉆頭在工作面支架安裝之前施工第一排炮孔。在工作面安裝調試完成并試采割煤之后,收回工作面支架的尾梁,保證工作面切眼內足夠的施工空間后,進行第1輪爆破。工作面工人按照鉆孔、裝藥和爆破的工序進行爆破作業。安排4個班組按照“同時裝藥、分次爆破”的方式進行爆破作業。為保證安全生產,要求所有作業班組完成裝藥的炮孔必須完成爆破作業。具體爆破過程中采用“局部并聯,總體串聯”的方式進行起爆,要求每次起爆過程中起爆的炮孔不超過5個。采用直接裝藥、導爆索起爆的爆破工藝進行工作面切眼預裂爆破。每個炮孔需要導爆索2根(并排),每根導爆索安裝1發雷管起爆,炮孔和炮孔之間采用串聯連線。如圖6所示,利用水泡泥和炮泥封孔。水泡泥在里，炮泥在外,封孔長度3.6 m。炮泥直徑65 mm,封孔3.6 m,圓柱形,由黃土和黃沙混合后制作而成。表1為單孔炸藥用量及封孔材料用量。

圖5 炮孔布置示意圖Fig.5 Blast hole arrangement

1-導爆索;2-炸藥卷;3-炮泥;4-水炮泥;5-雷管;6-腳線圖6 裝藥結構示意圖Fig.6 Charging construction

3.3 鉆孔施工機具及炸藥選型

工作面炮孔鉆機采用ZLJ-350煤礦用坑道鉆機,并配備Φ60 mm鉆桿,金剛石鉆頭8個,鉆頭直徑75 mm,鉆進速度為5～7 m/h。PN-A型炮泥機1臺。爆破所用炸藥為三級煤礦許用乳化炸藥,藥卷規格為Φ60 mm×200 mm(0.3kg/卷)。所用雷管為煤礦許用8#普通瞬發電雷管,如圖7所示。

表1 單孔用量統計表Table 1 Single hole dosage

圖7 ZLJ-350電動鉆機和PN-A型炮泥機Fig.7 ZLJ-350 electric drilling rig and PN-A stemming making machine

3.4 深孔預裂爆破效果檢驗

采用深孔預裂爆破技術對工作面切眼頂板進行預裂爆破處理后,頂板巖層的完整性得到有效降低(圖8所示)。同時,在工作面推進過程中未出現明顯的礦壓顯現活動。初次來壓步距由30 m降低到25 m。隨著工作面推進,工作面上方頂板垮落情況良好,冒落矸石能夠較好地充填采空區。

圖8 爆破后鉆孔結構示意圖Fig.8 Drilling structure after blasting

4 結論

為解決慈林山煤礦15201堅硬頂板切眼管理問題,在綜合比較現有頂板弱化技術的基礎上,選擇深孔預裂爆破技術對工作面頂板進行處理。采用理論計算和工程實踐相結合的研究方法,對預裂爆破的相關參數和爆破施工工藝進行了系統研究,得到以下主要結論:

1)15201堅硬頂板切眼碎區半徑為0.57～0.69 m,裂隙區半徑為1.55～2.46 m;

2)15201堅硬頂板切眼理論計算有效預裂高度為6.4～10.6 m,結合煤層上覆巖層賦存情況,最終確定預裂高度為9 m;

3)采用深孔預裂爆破技術有效地降低了堅硬頂板的完整性,取得了良好的控制效果。