堅硬頂板切頂預裂爆破在錦程礦10-201工作面的應用

2022-06-13 08:54:18鄧桂波

煤 2022年6期

鄧桂波

(山西焦煤霍州煤電錦程煤業有限公司,山西臨汾 041000)

錦程礦10-201綜放工作面設計走向長度634 m，傾向長度127 m，開采煤層為9+10號合并煤層，采用綜放工藝，煤層厚度6.2～7.2 m，其中夾矸2.6 m，煤層傾角0～16°，平均傾角8°，直接頂厚度0.25 m，為灰質泥巖，老頂為K2石灰巖，最大厚度10.05 m，K2石灰巖抗壓強度38.4 MPa，巖層堅硬且穩定，在工作面初采期間易造成采空區大面積懸頂，給工作面的安全生產帶來較大隱患。因此，為了回采期間的安全生產，采用深孔爆破來防止或減弱大面積頂板來壓。

1 工作原理

根據9+10號煤層具體情況，最初提出的水壓致裂強度不足，而且局部老頂存在裂隙，無法切斷頂板；考慮到K2石灰巖的硬度和厚度，力臂鋸切割緩慢而且深度不足。最終確定10-201綜放工作面采用切頂預裂爆破的方式在工作面回采前弱化頂板。切頂預裂爆破的主要作用為：切斷K2石灰巖基本頂，減小初次來壓步距。即在工作面切眼和正副兩巷以合適的間距向頂板打設深孔，在工作面回采前對鉆孔裝藥并爆破。通過切頂預裂爆破的方式來切斷基本頂，從而減小初次來壓的步距。

2 工藝技術

2.1 打孔

工作面切眼擴刷完成后即可打孔，此時鉆機擺放和挪移比較方便。工作面需布置鉆孔長度按135 m計算(切眼長度127 m+副巷長度3.5 m+正巷長度4.5 m)，鉆孔間距1 000 mm，共需布置136個炮孔，編號分別為A1～A136。采用CMQ1-1200/30煤礦用切頂鉆機鉆孔，鉆桿每根長1.0 m，鉆頭直徑50 mm。

2.1.1 鉆孔位置

如圖1所示，根據切頂預裂的原理，鉆孔開口位置距離煤壁越近越好，但考慮施工鉆孔時，切頂鉆機需要操作空間，所以確定爆破鉆孔與煤柱幫距離為200 mm。

圖1 鉆孔位置S、鉆孔傾角α示意

2.1.2 鉆孔傾角

如圖1、圖2所示，鉆孔傾角α為鉆孔與煤壁的夾角，仰角β為鉆孔與回采方向的夾角。

圖2 鉆孔傾角β示意

結合10-201兩巷道及切巷切頂高度及切頂鉆機施工位置，確定鉆孔傾角β向工作面古塘側傾斜，即α=78 °，β=78 °。

2.1.3 鉆孔深度

根據切頂預裂技術原理，影響基本頂初次來壓的主要因素為基本頂的斷裂距離。確定切頂孔應穿透K2石灰巖，根據工作面地質綜合柱狀圖，切頂高度按照煤層結構最大厚度確定為：頂煤最大厚度(煤層最大厚度-巷道高度)+偽頂最大厚度+基本頂最大厚度=(7.2-2.8)+0.25+10.05=14.7 m。

鉆孔深度：以切頂高度為基準，考慮α、β角，保證穿透K2石灰巖0.1 m，使初次來壓步距減小。

鉆孔深度計算公式：

(1)

式中：H0為巷道頂板K2灰巖上邊界高度，H0=(7.2-2.8)+0.25+10.05=14.7 ；α為鉆孔與煤壁的夾角，α=78°；β為鉆孔與回采方向的夾角，β=78°；經計算，切頂鉆孔深度為15.5 m。

2.1.4 鉆孔直徑和鉆孔間距

在施工頂板爆破鉆孔時，切頂鉆機選用直徑50 mm的鉆頭和直徑42 mm的鉆桿。一般情況下鉆孔間距為鉆孔直徑的10～15倍，即500～750 mm。為達到切頂預裂效果，鉆孔直徑為50 mm，鉆孔間距為1 000 mm時最佳。

2.2 裝藥

通過切頂預裂技術來切斷頂板，其效果好壞取決于裝藥密度、爆破孔的間距、裝藥不耦合系數、爆破孔的封藥長度以及一次性起爆的爆破孔數量。

2.2.1 炸藥選型

根據切頂預裂的需要，結合我礦實際情況，選用礦用三級乳化炸藥，炸藥直徑32 mm，長200 mm，重量0.2 kg。

2.2.2 不耦合系數

根據以往工程經驗，不耦合系數K的合理范圍為1.30～1.80。根據前文所述，不耦合系數K=50/32≈1.6，在合理范圍以內，符合要求。

2.2.3 裝藥集中度

一般情況下，預裂爆破裝藥量合適時，既可造成平整貫通的切頂縫，又能使藥包附近的巖體不受破壞。預裂孔的裝藥，應剛好能使K2灰巖產生裂縫，但又不對圍巖造成較大的破壞。裝藥集中度取值范圍為0.45～0.7 kg/m。

根據我礦10-201工作面基本頂的巖性，裝藥集中度取0.66 kg/m。

2.2.4 單孔裝藥量

依據地下工程爆破經驗公式，單孔裝藥量為：

(2)

式中：Q為單孔裝藥量，kg/孔；H為鉆孔深度，取15.5 m；k為裝藥系數，取2/3；q為裝藥集中度，取0.66 kg/m。

代入上式計算得：單孔裝藥量Q=6.82 kg。換算成藥卷數量N=6.82/0.2=34卷。

2.3 封孔結構

鉆孔裝藥遵循以下原則：①炮眼內裝藥段長度9.8 m，采用煤礦許用三級水膠炸藥和煤礦許用毫秒延期電雷管，每孔炸藥34卷；②采用D型聚能管裝藥，聚能管直徑32 mm，每節長度2 m，每孔5節，聚能方向與預裂鉆孔方向一致；③自上而下裝藥結構為“9+7+7+6+5”，每部分2發電雷管起爆；④封孔長度5.7 m，采用黃土或粘土炮泥封孔；⑤采用正向裝藥，孔內電雷管并聯連接，孔間串聯連接，一次爆破10個預裂孔；⑥在直巷中爆破，爆破母線長度不小于110 m；在拐彎巷道中爆破，爆破母線長度不小于85 m。裝藥及封孔示意見圖3。