朱莊煤礦聚能爆破切頂卸壓技術研究及應用

郭寶偉

(淮北礦業股份有限公司 朱莊煤礦， 安徽 淮北 235047)

隨著礦井生產效率的不斷提高，傳統的巷道布置方式已不能滿足采掘接替的需要，同時留設護巷煤柱也造成了煤炭資源的浪費。朱莊煤礦目前6#煤已出現采掘接替緊張的局面，Ⅲ63采區剩余2個工作面為右翼相鄰的兩個工作面，受相鄰工作面瓦斯治理工作的影響，工作面不能連續接替。采用傳統工藝準備，礦井生產將長時間面臨接替困難的局面。通過調研論證，張國鋒等[1]針對白皎煤礦保護層留煤柱引發的采空區瓦斯積聚、瓦斯突出及應力集中對近距離煤層開采引起的災害問題，提出了保護層沿空切頂成巷無煤柱開采技術：對沿空巷道頂板實施超前預裂，切斷沿空巷道頂板與采場直接頂、基本頂的聯系，改善了巷道圍巖應力環境，取得了較好的成果。基于此，朱莊煤礦決定從Ⅲ635工作面開始采用沿空留巷方法，以緩解接替緊張局面，解決接替困難問題。

1 工作面概況

1.1 井下位置及四鄰采掘情況

Ⅲ635 工作面為Ⅲ63采區右翼第3個工作面，走向長度528 m，斜長180 m，斜面積97 540 m2. 左至Ⅲ63采區軌道下山，右至土型北煤礦6煤層防隔水煤(巖)柱保護線，上區段Ⅲ633工作面已回采完畢，下區段Ⅲ637 工作面正在掘進。上覆3、4、5煤層受巖漿侵蝕，均不可采。工作面布置示意圖見圖1.

圖1 工作面布置示意圖

1.2 煤層頂板情況

Ⅲ635 工作面所采6#煤層頂板巖性見表1，直接頂為泥巖，基本頂為質地較堅硬的粉砂巖。

2 頂板預裂爆破技術方案設計

2.1 技術目標

煤層頂底板情況顯示，直接頂層位為泥巖，巖性遇水破碎易塌孔，使用水力壓裂技術切頂施工困難[2]，依據現場實際條件采用爆破切頂技術。

表1 煤層頂板情況表

Ⅲ635工作面回采前，在Ⅲ635工作面機巷中布置預裂爆破鉆孔，提前預裂頂板，待工作面推過后，頂板在預裂位置斷裂，達到卸壓的目的，保證沿空留巷圍巖位于較小的應力環境當中。

超前預裂爆破技術目標：通過超前預裂爆破技術手段，沿Ⅲ635機巷上幫采空區側定向預裂頂板，待工作面回采后在礦山壓力作用下，頂板沿預裂線垮落，從而減小留巷懸臂梁長度,降低了留巷壓力。

2.2 預裂爆破參數設計

1) 爆破器材選用。

預裂爆破所采用炸藥的選擇，首先應考慮巖石的特性對爆炸應力波傳播的影響[3-6]. 一般來說，巖石的密度和完整性程度越高，波速越大，反之則越小。其次，應考慮巖石波阻抗對爆破能量在巖石中傳播效率的影響。同時還應考慮巖體的結構面，特別是裂隙面，會嚴重影響爆炸應力波的傳播。因此，為實現超前預爆破處理頂板的目的，所采用的炸藥，其波阻抗應盡量接近巖石的波阻抗，達到炸藥與巖石的合理匹配。對Ⅲ635工作面鉆取巖樣進行聲波測試，縱波波速Vp×巖石密度ρ即計算得出巖石的波阻抗值，多次計算取平均值4 813.2(g·cm-3)·(m·s-1)，選用炸藥的波阻抗由密度ρ×爆速D計算得出，為4 622.4(g·cm-3)·(m·s-1)，與巖石波阻抗匹配較好。

炸藥采用由雷鳴科化公司定制的聚能炸藥，炸藥爆炸性能參數見表2，聚能炸藥是將高性能的三級煤礦許用水膠炸藥和導爆索充入聚能管中，聚能管為PVC材質，每節管長1.2 m，炸藥密度為1.15 g/cm3，每根聚能管充填炸藥重量1.1 kg，聚能管截面見圖2，內截面積804 cm2,管體截面積169.22 cm2. 兩側分別有一個“V”型聚能槽，裝藥爆炸瞬間，聚能穴閉合產生高壓、高密、高速的沖擊波和氣流產物，爆轟產物在聚能穴方向集聚、能量密度高，定向破巖效果顯著。雷管選用煤礦許用毫秒延期電雷管。

2) 炮孔參數設計。

基于巖石碎脹自承特性理論，切頂高度計算公式為:

(1)

式中，H為切頂高度，m；ΔS為頂板下沉和底板鼓起總量，m；M為開采高度，m；Kp為巖石平均碎脹系數。

表2 炸藥爆炸性能參數表

圖2 聚能管截面示意圖

Ⅲ635工作面煤層上方直接頂為泥巖、基本頂為粉砂巖，基本頂較為堅硬，碎脹系數K取1.2，不考慮頂板下沉量和底鼓量，將開采高度2.8～3.3 m 代入計算,得到切頂高度為14～16.5 m.

為了減小切斷頂板與留巷頂板間摩擦力，使頂板更容易發生垮落，將切縫炮孔與鉛垂線夾角設置為10°，即炮孔仰角為80°，最終確定炮孔長度為14.2～16.76 m.

施工鉆孔時采用ZDY1600LPS型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機或滿足要求的礦用鉆機，鉆孔直徑50 mm.

爆破孔間距應使相鄰爆破孔裂隙區貫通，形成完整的切縫面，所以相鄰炮孔間距E應不大于巖體裂隙圈擴展半徑的2倍，即E≤ 2r.初步計算得出巖體裂隙擴展半徑為500 mm，為保證有效切頂將炮孔間距確定為800 mm.

合理的封孔長度，既要保證封孔段巖體松動預裂，同時又不能產生拋擲爆破漏斗。

(2)

式中，n為爆破作用指數；r為爆破漏斗半徑；W為最小抵抗線。其中，當0

在實際爆破中，確切的抵抗線值需要依據鉆孔爆破后的有關參數確定，深孔爆破時封孔長度不得小于孔深的1/3，為保證切頂爆破的破巖效果，保證最大裝藥量，將封孔長度確定為炮孔長度的1/3，即4.7～5.6 m.

綜上，炮孔參數為鉆孔深度14.2～16.76 m，鉆孔仰角80°，孔徑50 mm，孔間距0.8 m，封孔長度4.7～5.6 m.

3) 裝藥參數。

每孔裝9～11根聚能炸藥，裝藥長度9.5～11.16 m，每孔使用一個雷管，采用正向裝藥。

4) 裝藥過程和起爆方式。

a) 裝藥過程。裝入聚能炸藥，兩根聚能炸藥用端蓋插接在一起，輔助以電工膠帶加固，保證聚能炸藥之間連接牢固；聚能炸藥裝好后，最外面一根聚能炸藥采用兩根導爆索引出，然后封泥至距孔口500 mm位置，用雷管與其中一根導爆索連接，連好后塞進孔內，然后再封泥400 mm，孔口留100 m不封黃泥；每次起爆鉆孔之間的雷管采用串聯連接，一次起爆5個鉆孔，依次采用I～V段毫秒延期電雷管引爆，以達到增加自由面增強爆破效果的目的；保證孔內聚能炸藥聚能槽方向均與巷道走向方向一致。

b) 起爆方式。采用正向裝藥，一次起爆距離不超過5 m，串聯起爆，后續可根據爆破情況調整，放炮母線必須絕緣良好，并且懸空吊掛。

3 聚能爆破切頂工藝實施

3.1 施工工序

進入工作面進行瓦斯檢查→施工前保護原有管、纜線→鉆孔布置→鉆孔→裝藥→爆破→竣工驗收。

3.2 施工過程

綜合Ⅲ635工作面生產地質條件，沿空留巷施工前需對頂板進行預裂爆破，具體施工過程包括施工巷道補強、施工鉆孔、爆破作業3部分。首先按照巷道補強要求對巷道進行補強，然后按照設計參數施工鉆孔，同時依次進行爆破工作，一次性起爆距離不超過5 m. 為保證施工安全以及爆破效果，施工巷道加強支護要超前爆破作業50 m.

3.3 切頂卸壓效果驗證

采用礦用窺視儀對Ⅲ635 工作面機巷頂板預裂爆破鉆孔孔內裂隙發育情況進行觀測分析。共觀測 5 個鉆孔，依次為 1#、2#、3#、4#、5#鉆孔。其中 1#為爆破鉆孔；2#、3#鉆孔為兩個爆破鉆孔之間的導向孔；4#、5#鉆孔為尚未進行爆破的鉆孔，鉆孔的具體位置關系見圖3. 鉆孔窺視情況分別見圖4，5，6.

圖3 鉆孔位置關系圖

圖4 1#爆破鉆孔窺視情況圖

由圖4可知，在0.062 m、0.296 m、1.464 m可見明顯破碎圈，該范圍內巖性較為破碎，可知1#爆破鉆孔圍巖松動圈為0～1.5 m；在0.692 m、0.771 m、1.754 m、2.291 m、2.480 m、2.559 m、3.110 m位置裂隙較發育；約 3.787 m位置見較完整封孔材料。

圖5 2#、3#導向鉆孔窺視情況圖

由圖5可知，導向鉆孔圍巖松動圈為0～0.8 m；1～3 m內巖層比較完整，未見明顯裂隙發育；4.1～8.3 m內巖層均見較為明顯裂隙發育，頂板預裂切縫效果良好。

圖6 4#、5#爆破鉆孔窺視情況圖

由圖6可知，頂板往上0～1.7 m為煤層，未見明顯裂隙發育，其中0.9 m煤層較為破碎；1.46～4.9 m未見明顯裂隙發育。

經現場鉆孔窺視觀測結果來看，Ⅲ635工作面機巷觀測范圍內圍巖松動圈可初步確定為0～2 m，頂板巖性較為完整的松動圈較小，一般為1 m以下，遇斷層等地質構造區域和托頂煤區域松動圈較大，超過2 m. 因此，建議在斷層破碎區和托頂煤地點進行錨網索補強，并適當采用單體、架棚或巷道支架等支護措施。

經觀測發現，2#導向鉆孔孔內裂隙發育明顯，且多為孔內縱向裂隙，說明鉆孔導向和爆破材料的定向效果較好，該點位置的切縫效果良好。

而 3#導向鉆孔，0～3 m未見明顯裂隙發育；4.38 m見爆破震落碎矸石堵孔，3號導向孔位于兩側爆破鉆孔連線中點位置，初步分析原因為爆破時受兩側爆破孔爆破能量擠壓導致塌孔；建議根據頂板巖性適當調整爆破鉆孔間距(鉆孔間距優化區間為500～800 mm)，頂板破碎的情況下建議增加鉆孔深度和鉆孔間距，實現更經濟高效利用爆破能量的目的，并減小對支護的影響。

4#未爆破鉆孔、5#未爆破鉆孔情況基本相似，頂板往上1.4～1.8 m為煤層，且較為破碎，不易留頂。4.7～5.3 m均可見到兩孔深部巖層破碎導致的塌孔現場。為保證頂板完整性及切頂爆破施工效果，建議在該范圍內區域采取提高孔深、少裝藥或不裝藥(隔孔導向)等方法進行施工，且該區域需加強支護。

4 結論與建議

1) 通過現場切頂爆破鉆孔的窺視觀測，爆破前觀測巖性，爆破后觀測效果，聚能藥柱定向效果較好；炮眼間距布置800 mm合理。

2) 聚能爆破破壞了圍巖結構的完整性，降低巖體強度，使直接頂和基本頂均見較為明顯裂隙，達到良好的預裂切縫效果。

3) 加強對工作面后頂板斷裂線的觀測，工作面后準備備用鉆機(可以用臨時性小型化鉆機)，若出現切頂效果不明顯的區域建議在工作面后該區域施工切頂孔進行補強切頂。