基于囊袋封孔技術(shù)的鉆孔間距優(yōu)化研究

＊王超 殷志強(qiáng)

（安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 安徽 232001）

1.引言

近年來，基于“切頂短壁梁理論”的切頂成巷技術(shù)開始在國內(nèi)多個礦區(qū)得到應(yīng)用和推廣。該技術(shù)利用定向聚能爆破，沿回采巷道采空區(qū)一側(cè)定向預(yù)裂頂板，回采后，在采動壓力的作用下，沿預(yù)裂裂隙自動切割形成巷幫，實(shí)現(xiàn)“成巷”。當(dāng)頂板被切割后，長壁巖石梁就會成為一根短臂的巖石梁，頂板巖層的應(yīng)力傳遞鏈被切斷，頂板周期來壓強(qiáng)度將大幅減弱。頂板巖層垮落后形成巷幫，隔斷采空區(qū)，自動形成一條巷道并將用于下一工作面開采，最終實(shí)現(xiàn)一個回采工作面僅需掘進(jìn)一條巷道。新巷道位于卸壓區(qū)，避免了高應(yīng)力作用區(qū)的影響，消除了井下動力災(zāi)害孕育的動力源。

合理的爆破裝置和參數(shù)選擇對頂板能否破碎起著決定性作用，大量學(xué)者在這方面進(jìn)行了前人的試驗(yàn)研究。馮遠(yuǎn)照[1]針對煤層瓦斯治理工作對于佛洼8309工作面鉆孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得出“三花眼”布孔方式最優(yōu)；楊仁樹[2-3]研究了切縫藥包結(jié)構(gòu)參數(shù)對定向斷裂爆破的作用，試驗(yàn)了不同炮孔直徑、裝藥耦合系數(shù)以及不同介質(zhì)下裂紋擴(kuò)展規(guī)律，分析出裂縫的擴(kuò)展以及動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子與時間的關(guān)系，裂縫擴(kuò)展規(guī)律與切縫藥包結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從而確定最佳切縫藥包結(jié)構(gòu)；沈浩[4]改進(jìn)了囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝中的封孔材料，提出更換工藝材料的方法節(jié)約91%的成本。

通過現(xiàn)場不斷應(yīng)用與技術(shù)攻關(guān)，切頂卸壓沿空留巷技術(shù)已經(jīng)在全國一些礦區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，但同時該技術(shù)仍然存在很多問題需要解決，本文以定向聚能爆切頂留巷區(qū)域?yàn)檠芯繉ο螅捎美碚摲治觯F(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探索最佳的封孔囊袋，系統(tǒng)研究了不同孔間距對裂隙分布的影響規(guī)律，確定最優(yōu)孔間距。

2.囊袋封孔技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)快速高效封孔，擬選用濾積式封孔囊袋。囊袋的材料為高彈滌綸雙面布，濾袋僅能通過水，向鉆孔內(nèi)注漿時，多余的水分可以從囊袋中流出，而水泥漿液則留在囊袋中，從而實(shí)現(xiàn)水、氣體與漿料的分離，囊袋與鉆孔壁面緊密接觸，高濃度的水泥漿液在孔內(nèi)凝固的同時，實(shí)現(xiàn)了鉆孔的封堵。

常見的囊袋規(guī)格較多，主要有單囊、雙囊兩種結(jié)構(gòu)，對應(yīng)著一堵一注或多注、兩堵一注的封孔工藝。為確定合適的封孔工藝，采用三種囊袋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為長度為1.5m單囊、0.7m單囊、0.6m雙囊，如圖1所示。

圖1 同類型囊袋封孔結(jié)構(gòu)示意圖

為了尋找快速高效的封孔方法，對不同結(jié)構(gòu)囊袋、不同的試驗(yàn)材料及不同的凝結(jié)時間進(jìn)行井下試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍Α澳掖欢隆薄皟啥乱蛔ⅰ薄耙欢乱蛔ⅰ比N工藝進(jìn)行對比分析，得到最佳的封孔工藝或方法。

表1 井下封孔試驗(yàn)結(jié)果匯總表

測試囊袋為1.5m單囊、0.7m單囊、0.6m雙囊，注漿時材料的水灰比為1:1，通過壓力表示數(shù)嚴(yán)格控制注漿壓力為2MPa，試驗(yàn)時材料凝固時間均為1h，最終試驗(yàn)結(jié)果除了1.5m單囊未沖孔，0.6m雙囊袋、0.7m單囊袋試驗(yàn)均發(fā)生沖孔。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1.5m單囊袋較為穩(wěn)定，利用囊袋進(jìn)行一堵的封孔工藝就可以滿足爆破孔的封孔需要，因此，建議11503W工作面切頂爆破作業(yè)采用“囊袋一堵”的封孔工藝。

3.切頂爆破孔參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

(1)工程背景

翟鎮(zhèn)煤礦11503W工作面井下標(biāo)高為-405.2～-458.8m，地面標(biāo)高+169.74～+188.66m，走向長度約為944m，傾向長度120m。11503W工作面地層走向77°～107°，傾向167°～197°，傾角8°～16°，平均12°。工作面整體為一單斜構(gòu)造，地層整體呈現(xiàn)西南高東北低形態(tài)。

聚能定向爆破切縫是切頂成巷技術(shù)的核心，主要包括裝藥結(jié)構(gòu)、孔間距、封孔等方面。目前礦井采用的爆破孔孔深為10.0m，鉆孔直徑為55mm，炮眼間距為0.5m±0.1m，炮眼角度為水平線向上（工作面煤壁側(cè)）偏移75°～90°，聚能管裝藥密度為1.5kg/孔，每根聚能管長度不大于1.5m，采用1.5m囊袋進(jìn)行封孔。裝藥結(jié)構(gòu)為2+1+2+1+1+2，裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用6節(jié)1.2m長、外徑42mm、內(nèi)徑36.5mm的聚能管。炮眼頂部聚能管、中部第三個聚能管以及底端聚能管，每根聚能裝填2塊炸藥帶雷管，其余聚能管采用1塊炸藥帶雷管，相鄰炸藥之間留有0.8m長空氣柱，聚能管端部使用充填海綿或其他阻燃材料進(jìn)行封堵，防止炸藥滑托。

圖2 聚能爆破裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

(2)不同爆破鉆孔間距布置優(yōu)化

孔間距為0.5m時，孔間距為0.5m的爆破實(shí)驗(yàn)采用3個鉆孔，孔間距為0.5m，具體位置如圖3所示。其中1#、3#為爆破孔，采用囊袋封孔工藝，2#為預(yù)留觀測孔，孔徑均為Φ55mm。

圖3 孔間距為0.5m爆破實(shí)驗(yàn)鉆孔布置圖

爆破后，爆破鉆孔均未沖孔，封孔效果良好。對2#觀測孔進(jìn)行探測，獲得孔內(nèi)爆生裂隙形態(tài)，如圖4所示。從3.1m處開始一直到孔底位置8.2m處，全程孔洞內(nèi)部出現(xiàn)非常明顯的爆生裂隙。鉆孔軸向切開的形態(tài)明顯。可見，對于0.5m間距的爆破孔而言，爆破時能夠切縫的距離達(dá)到0.6m，能量過剩，考慮到經(jīng)濟(jì)性問題，增大孔間距進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖4 孔間距0.5m爆破實(shí)驗(yàn)2#鉆孔原始裂隙形態(tài)圖

孔間距為1m的第一次爆破實(shí)驗(yàn)采用2個爆破孔，具體位置如圖5所示。其中1#和3#為爆破孔，均采用囊袋封孔工藝，2#為預(yù)留觀測孔，所有鉆孔孔徑均為Φ55mm。

圖5 孔間距為1.0m爆破實(shí)驗(yàn)鉆孔布置圖

在爆破后對2#觀測孔的孔內(nèi)裂隙形態(tài)進(jìn)行了探測，如圖6所示。當(dāng)探頭剛進(jìn)入鉆孔時，濃厚的炮煙遮擋了鏡頭，導(dǎo)致裂隙形態(tài)難以辨認(rèn)，可見，爆破鉆孔與2#觀測孔已經(jīng)連同，爆破孔內(nèi)的炮眼沿兩孔之間的爆生裂隙進(jìn)入觀測孔內(nèi)。攝像頭繼續(xù)向孔內(nèi)觀測，發(fā)現(xiàn)3.4m開始到孔底均能夠清晰可見的爆生裂隙，縱向裂紋，且?guī)r石的破碎較嚴(yán)重。這就表明，爆破孔附近0.5m處的鉆孔內(nèi)已經(jīng)形成了定向，爆生裂隙的總長度約為7m。

圖6 孔間距1.0m爆破實(shí)驗(yàn)2#鉆孔原始裂隙形態(tài)圖

孔間距1.1m的爆破實(shí)驗(yàn)采用3個鉆孔，具體位置如圖7所示。其中1#和3#為爆破孔，采用囊袋封孔工藝，2#為預(yù)留觀測孔，孔徑均為Φ55mm。

圖7 孔間距為1.1m爆破實(shí)驗(yàn)鉆孔布置圖

爆破后，孔前部出現(xiàn)細(xì)微裂紋，裂隙出現(xiàn)在孔口5.6m內(nèi)及孔底1m的位置內(nèi)，裂隙長度在4m左右，如圖8所示。相比于1m孔間距而言，雖然此時的頂板也被切開，但是效果沒有1m孔間距時好。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同孔間距爆破后切縫長度如表2所示，不同孔距爆破后，孔距為1m時，裂隙最清晰，爆破效果最好，橫向切縫長度足以連通兩個爆破空且經(jīng)濟(jì)性最佳，因此選擇1m的孔距進(jìn)行爆破是最優(yōu)選擇。

表2 不同孔間距爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.結(jié)論

（1）1.5m單囊袋在封孔材料灌注1h后最為穩(wěn)定，在多次實(shí)驗(yàn)中并未發(fā)生沖孔現(xiàn)象，而0.7m單囊袋和0.6m雙囊袋都發(fā)生過沖孔現(xiàn)象。

（2）孔間距為0.5m時孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量縱向裂紋，大部分區(qū)域破壞嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)性欠佳；孔間距為1m時孔內(nèi)出現(xiàn)了明顯的爆生裂隙，總長度約7m，孔底區(qū)域出現(xiàn)了巖石破碎的現(xiàn)象；孔間距為1.1m時孔前部出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，裂隙出現(xiàn)在距孔口5.6m內(nèi)及孔底1m的位置。