寺河煤礦爆破卸壓無煤柱沿空留巷技術(shù)研究

劉 橋

（晉能控股裝備制造集團(tuán)有限公司，山西 晉城 048000）

寺河煤礦開采3#煤層，采用大采高開采方式，采高6.07 m，日推進(jìn)速度快，開采強(qiáng)度大，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。近年來一直在嘗試無煤柱開采工藝，受制于礦壓強(qiáng)度和推進(jìn)速度，在關(guān)鍵工藝上未取得突破[1-2]。以6306 大采高工作面無煤柱沿空留巷為工程背景，研究爆破卸壓和留巷墻體構(gòu)筑關(guān)鍵技術(shù)，少掘一條巷道，緩解采掘銜接緊張，提高資源采出率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限。

1 工程背景

寺河煤礦六盤區(qū)6306 工作面開采3#煤，煤層平均厚度為6.07 m，平均傾角3°。偽頂為0.4 m碳質(zhì)泥巖，隨采隨落；直接頂為3.44 m 含粉砂泥巖；基本頂為7.93 m 粉砂巖和11.55 m 細(xì)粒砂巖。

工作面設(shè)計(jì)可采長(zhǎng)度2094 m，傾向長(zhǎng)度324 m。巷道采用“兩進(jìn)一回”三巷布置，北側(cè)2 條順槽為63063 巷、63062 巷，63063 巷為膠帶巷、輔助進(jìn)風(fēng)巷，63062 巷為回風(fēng)巷；南側(cè)1 條順槽為63061 巷，為主進(jìn)風(fēng)巷、設(shè)備列車巷。順槽設(shè)計(jì)寬度5.5 m，高度4 m，沿煤層底板掘進(jìn)，留頂煤厚度2.07 m。

6306工作面北側(cè)為采空區(qū)，南側(cè)為6307工作面，在63061 巷開展無煤柱沿空留巷，作為6307 工作面的回風(fēng)巷使用。如圖1。

圖1 63061 巷與工作面位置示意圖（m）

寺河煤礦大采高綜采技術(shù)成熟，6306 工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)速度6～8 m/d，采用爆破卸壓無煤柱沿空留巷技術(shù)，必須解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：

1）爆破速度。初步設(shè)計(jì)每米2 個(gè)鉆孔，則每天至少完成20 個(gè)鉆孔的爆破任務(wù)，只能在檢修班完成，傳統(tǒng)的裝藥方式和炮泥封孔方式效率低下，爆破進(jìn)度將嚴(yán)重制約工作面推進(jìn)速度。

2）墻體穩(wěn)定性和構(gòu)筑速度。采高6.07 m，工作面后方礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，必須保證墻體有足夠的強(qiáng)度和承載穩(wěn)定性，同時(shí)，按照墻體長(zhǎng)度4 m 設(shè)計(jì)，每天至少完成2 個(gè)墻體的構(gòu)筑工作。

2 爆破鉆孔快速裝藥封孔技術(shù)

2.1 爆破鉆孔參數(shù)

1）孔深。通過理論計(jì)算，采用深淺孔組合設(shè)計(jì)，深孔深度26.5 m，作用范圍為關(guān)鍵層部位；淺孔深度13.5 m，作用范圍為深孔封孔段未爆破范圍。深淺孔間隔布置。

2）孔距。按應(yīng)力波與爆生氣體準(zhǔn)靜壓共同作用確定炮孔間距。通過理論計(jì)算，確定深孔間距1 m，淺孔間距1 m。

3）孔徑。不耦合系數(shù)K是指鉆孔直徑和炸藥直徑的比值，合理范圍為1.30 ＜K＜1.80。采用的煤礦許用三級(jí)乳化炸藥直徑為35 mm，孔徑直徑D選擇60 mm，不耦合系數(shù)1.71。

4）角度。與垂直方向夾角15°，偏向回采側(cè)。

5）開孔位置。考慮鉆機(jī)便于施工的因素，開孔位置在63061 巷回采側(cè)，距離煤壁200 mm。

6）裝藥結(jié)構(gòu)。根據(jù)爆破層位和對(duì)于封孔長(zhǎng)度的要求，26.5 m深孔裝藥長(zhǎng)度14 m，封孔長(zhǎng)度12.5 m，裝藥量12 kg；13.5 m 淺孔裝藥長(zhǎng)度6 m，封孔長(zhǎng)度7.5 m，裝藥量6 kg。

深淺孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 深淺爆破鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 快速裝藥工藝

以往采用兩種方式裝藥，一種是直接裝藥方式，將藥卷直接放入孔內(nèi)，采用木制捅桿捅入孔底。送藥過程中可能出現(xiàn)藥卷偏心堵塞、掉落，無法固定，所以必須一次性送入，作業(yè)人員持續(xù)工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)可能會(huì)搗斷炮線。按照26.5 m 孔深、14 m 裝藥長(zhǎng)度，單孔裝藥約需要60 min。另一種是采用圓形聚能管裝藥，因圓形聚能管無法拆分，必須將炸藥包裝破壞后擠入注藥槍，然后注入聚能管內(nèi)，工序復(fù)雜，同時(shí)存在一定的安全隱患，圓聚能管也無法實(shí)現(xiàn)定向聚能爆破。按照26.5 m 孔深、14 m 裝藥長(zhǎng)度，單孔裝藥約需要40 min。因此，計(jì)劃設(shè)計(jì)一種可拆分的異形聚能管，將炸藥放入后扣合，不需拆開炸藥，異形結(jié)構(gòu)為聚能槽，實(shí)現(xiàn)定向聚能爆破，在孔外制作成聚能藥包后一次性送入孔內(nèi)。

每組鉆孔包括6 個(gè)深孔、6 個(gè)淺孔，每次起爆6 個(gè)深孔、5 個(gè)淺孔，最后一個(gè)淺孔僅封孔，用于保護(hù)下一組鉆孔。每次需要完成12 個(gè)鉆孔的封孔、11 個(gè)鉆孔的裝藥。

設(shè)計(jì)異形PVC 爆破裝藥聚能管作為炸藥載體，采用殼體+扣蓋分體式結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)有聚能槽，實(shí)現(xiàn)定向預(yù)裂。在管體上安裝有異形倒刺，可預(yù)防炸藥脫落。裝藥時(shí)，預(yù)先將炸藥、導(dǎo)爆索、雷管、腳線等裝入管體內(nèi)，并接好電路，然后通過連接件連接所有管體。預(yù)裝藥完成后，通過絕緣裝藥捅頭和可加長(zhǎng)捅桿將連接在一起的管體一次性送入孔底，大幅提高了裝藥效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，防止孔內(nèi)滑脫，并改善了爆破效果。

具體操作方法：

1）搭建26 m 長(zhǎng)平臺(tái)，用于制作聚能藥包，本班所需要的11 個(gè)聚能藥包全部制作完成后，再進(jìn)行集中裝藥；

2）提前將導(dǎo)爆索和連接件穿在導(dǎo)爆索上，深孔需要7 個(gè)連接件，淺孔需3 個(gè)，將炸藥按照設(shè)計(jì)依次放置在聚能管內(nèi)，空隙部分用水炮泥或者炮土填實(shí)塞緊，用聚能管扣蓋扣嚴(yán)，連接件依次連接；

3）將倒刺安裝在提前打好的孔上，調(diào)整好方向，用透明膠帶將倒刺粘緊固定，將連接件部位進(jìn)行粘緊加固，防止脫離，安裝導(dǎo)向頭；

4）尾部最后1 根聚能管，導(dǎo)爆索連接電雷管，雷管腳線連接電纜線，聚能藥包制作完成，共制作6 個(gè)長(zhǎng)藥包，5 個(gè)短藥包；

5）所有爆破鉆孔先用裝藥捅桿和捅頭測(cè)試，確認(rèn)無誤后裝入聚能藥包。安裝時(shí)，將聚能藥包小心移動(dòng)到孔下方，導(dǎo)向頭一側(cè)朝上，人工逐段送入，直到全部進(jìn)入孔內(nèi)后，用裝藥捅桿和捅頭將聚能藥包送入孔底。

安裝流程如圖3。

圖3 聚能藥包安裝流程圖

2.3 囊袋灌漿快速封孔工藝

以往采用填塞炮泥孔封方式，將制作好的炮泥卷放入孔內(nèi)，采用木制捅桿捅入封孔段，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，有可能會(huì)搗斷炮線。當(dāng)封孔深度較大時(shí)，難以保證炮泥捅至設(shè)計(jì)深度，存在搗不實(shí)的現(xiàn)象，造成起爆時(shí)鉆孔沖孔。尤其是鉆孔內(nèi)有流水時(shí)，流水浸泡炮泥導(dǎo)致炮泥軟化，封孔效果更差。以往炮泥封孔沖孔率約5%。

采用無機(jī)爆破封孔材料、囊袋封孔裝置和氣動(dòng)封孔裝備，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化快速封孔。囊袋封孔裝置由雙端透水布囊袋、注漿管、返漿管、爆破片組成；氣動(dòng)封孔裝備包括1 臺(tái)氣動(dòng)雙液封孔泵和1 臺(tái)氣動(dòng)連體攪拌桶。使用時(shí)，將囊袋封孔裝置安裝在封孔段，將爆破封孔材料制備成漿液注入封孔段，快速固化后即可起爆，實(shí)現(xiàn)了封孔作業(yè)機(jī)械化，大幅減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

1）無機(jī)爆破封孔材料

無機(jī)注漿爆破封孔材料，為雙組分無機(jī)材料，由A、B 兩種無機(jī)礦粉材料組成，加水?dāng)嚢柚苽涑蓾{體，具備速凝早強(qiáng)、完全阻燃抗靜電、無毒腐蝕性等特點(diǎn)。使用水灰比1.2:1，通過泵送灌注注入封孔段，混合前兩種單漿流動(dòng)性良好，混合后1～3 min 完全失去流動(dòng)性，10～15 min 完全固化，30 min強(qiáng)度4 MPa，凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度可調(diào)，漿液注入30 min 后達(dá)到設(shè)計(jì)硬度即可爆破，最高反應(yīng)溫度不超過40 ℃，使用安全。封孔質(zhì)量遠(yuǎn)高于炮泥，可有效防止沖孔，確保爆破效果。

2）囊袋灌漿封孔裝置

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，深孔爆破個(gè)別鉆孔會(huì)有不同程度的涌水，孔口封堵后，鉆孔出水會(huì)在封孔段形成累積，影響封孔材料凝結(jié)，出水量越大影響越大，必須對(duì)出水進(jìn)行封堵隔離。據(jù)此情況設(shè)計(jì)了封孔囊袋，經(jīng)多次試驗(yàn)，“兩堵一注”方式能解決問題。

雙端封孔囊袋結(jié)構(gòu)如圖4。作用原理：設(shè)計(jì)內(nèi)囊袋和外囊袋，采用透水布袋材質(zhì)，連接1 根Φ16 mmPE 注漿管，注漿管上設(shè)計(jì)1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)爆破片。兩個(gè)囊袋長(zhǎng)度加上兩個(gè)囊袋之間長(zhǎng)度即為封孔長(zhǎng)度。1 號(hào)爆破片設(shè)計(jì)壓力0.5 MPa，2 號(hào)爆破片設(shè)計(jì)壓力1 MPa，3 號(hào)爆破片設(shè)計(jì)壓力1.5 MPa。從注漿管下口注入漿液時(shí)，注漿壓力作用下1 號(hào)爆破片首先打開，漿液注入內(nèi)囊袋，注入同時(shí)內(nèi)囊袋向外滲水，以提高漿液凝固速度，孔口有水流出，內(nèi)囊袋注滿后漿液快速凝固，形成內(nèi)端封堵，有效阻隔孔內(nèi)淋水，防止淋水進(jìn)入封孔段影響漿液凝固效果。然后2 號(hào)爆破片打開，外囊袋滲水、脹起、固化，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外封堵。最后3#爆破片打開，漿液灌入兩個(gè)囊袋之間。使用時(shí)安裝1 根Φ16 mmPE 返漿管，返漿管上口高度要超過3#爆破片位置。注漿管和返漿管下端都要預(yù)留伸出孔口一定長(zhǎng)度，便于注漿工人連接操作。

圖4 雙端封孔囊袋結(jié)構(gòu)圖

按照Φ60 mm 孔徑，制作兩種規(guī)格的囊袋，一種封孔長(zhǎng)度12.5 m，用于深孔封孔，一種封孔長(zhǎng)度7.5 m，用于淺孔封孔。

3）封孔裝備

根據(jù)爆破鉆孔垂直灌漿封孔作業(yè)流量小、壓力高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套封孔裝備，包括注漿設(shè)備和攪拌設(shè)備。

注漿設(shè)備采用2ZBQS25/6 型封孔泵，最大流量40 L/min，工作壓力0～11 MPa 可調(diào)，采用雙缸獨(dú)立設(shè)計(jì)，兩個(gè)吸排口能夠同時(shí)吸漿、同步出漿，使?jié){液按照1:1 混合，流量均勻。

攪拌設(shè)備采用連體攪拌桶，設(shè)計(jì)兩個(gè)單筒，單筒容量90 L，合計(jì)180 L，每個(gè)單筒內(nèi)每次加料50 kg，加水60 kg，單次攪拌能夠滿足4～5 個(gè)爆破鉆孔封孔用量。

4）封孔工藝

連體攪拌桶兩個(gè)桶分別攪拌無機(jī)注漿爆破封孔材料A 料和B 料，水灰比1.2:1。攪拌均勻后，封孔泵兩根吸漿管分別吸入兩種漿液，加壓后排出兩種漿液，在孔口附近，使用三通混合器進(jìn)行混合、注入孔內(nèi)。當(dāng)返漿管開始漏漿時(shí)，代表孔內(nèi)已經(jīng)注滿，停止注漿，換下一個(gè)孔繼續(xù)注漿。所有鉆孔集中安裝囊袋，集中制漿，集中封孔，可大幅提高效率，減少材料浪費(fèi)。所有鉆孔封孔結(jié)束等待30 min 后，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度4 MPa 即可起爆。

3 高強(qiáng)混凝土墻體快速構(gòu)筑技術(shù)

3.1 墻體參數(shù)設(shè)計(jì)

1）墻體

沿空留巷寬度4000 mm，柔模混凝土墻體寬度1600 mm，高度4000 mm，墻體強(qiáng)度等級(jí)C40。

2）混凝土

采用自密實(shí)、快硬、早強(qiáng)、高強(qiáng)的礦用高性能混凝土。設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。柔模澆筑加壓接頂時(shí)沒有石子配料，且墻體最上部受頂壓破壞最大，必須保證頂部混凝土強(qiáng)度與主體柔模強(qiáng)度一致，因此洗管砂料混凝土配合比按照2:1（水泥:砂料）的比例進(jìn)行混合澆筑，確保柔模墻體頂部受力。

3）對(duì)拉錨栓

錨栓規(guī)格：桿體為超強(qiáng)熱處理左旋無縱肋螺紋鋼筋，BHRB500，桿體直徑22 mm，桿體長(zhǎng)度1800 mm，桿體兩端都設(shè)有螺紋，桿尾螺紋公稱直徑為 24 mm，采用滾壓加工工藝成型，桿尾螺紋長(zhǎng)度都為125 mm。錨栓托盤：柔模墻體上部?jī)膳佩^栓采用300 mm×300 mm×16 mm 高強(qiáng)度可調(diào)心托板，承載能力不低于400 kN，托盤加墊片（用廢舊皮帶加工，規(guī)格350 mm×350 mm）；其他錨栓采用拱形高強(qiáng)度托盤配合球形墊和減阻尼龍墊圈使用，托盤尺寸不低于150 mm×150 mm×10 mm，拱高度不低于36 mm，托盤承載能力大于23 t。

錨栓布置：每排布置5 根錨栓，間排距750 mm×750 mm，全部垂直于墻面安設(shè)。預(yù)緊力矩：墻體澆筑成型3 d 后通過扭矩扳手給錨栓施加300 N·m 的預(yù)緊扭矩。

4）鋼筋鋼帶

鋼帶形式：圓鋼焊接雙筋鋼帶，雙筋對(duì)焊，雙面焊接，長(zhǎng)邊雙筋每100 mm 焊接一個(gè)點(diǎn)，焊長(zhǎng)30 mm；短邊雙筋中間一個(gè)焊點(diǎn)，焊長(zhǎng)20 mm；長(zhǎng)邊和短邊之間的焊點(diǎn)大于30 mm。

鋼筋鋼帶：采用Φ14 mm 圓鋼焊接鋼筋托梁，鋼筋鋼帶寬度100 mm，橫向鋼筋鋼帶長(zhǎng)度為4000 mm，豎向鋼筋鋼帶長(zhǎng)度為3500 mm，鋼筋鋼帶限位孔間距為375 mm。

3.2 施工工藝

寺河煤礦柔模混凝土沿空留巷的主要施工環(huán)節(jié)：1）配制干混料；2）物料投運(yùn)；3）切頂爆破；4）圍護(hù)待澆筑空間和巷內(nèi)臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)；5）掛設(shè)柔性模板；6）澆筑墻體。施工工藝如圖5。

圖5 柔模混凝土沿空留巷施工工藝

3.3 混凝土設(shè)備配套

1）地面干料制備站

采用干混料制備站在地面進(jìn)行沿空留巷干混料制備，全自動(dòng)一鍵操作，智能液晶顯示屏，設(shè)備電壓等級(jí)為380 V，設(shè)備功率88 kW，理論生產(chǎn)能力50 m3/h。

2）井下混凝土制備輸送站

采用柔模混凝土制備輸送機(jī)組進(jìn)行巷旁支護(hù)體施工，設(shè)備型號(hào)為KTRHZSJ-50，生產(chǎn)能力為50 m3/h，輸送C50 混凝土?xí)r設(shè)備的理論輸送距離可達(dá)1000 m，實(shí)際最大可靠輸送距離為400 m，設(shè)備總功率220 kW，輸送管路為DN125 型高壓耐磨無縫鋼管。

3）沿空留巷專用支架

沿空留巷專用擋矸支架和端頭支架是為柔模混凝土沿空留巷開發(fā)的專用設(shè)備。

擋矸支架具備支護(hù)、擋矸、自移、糾偏、適應(yīng)工作面左右兩側(cè)巷道留巷等功能，該支架與工作面設(shè)備不連接，在采空區(qū)獨(dú)立自移。頂梁前端設(shè)有伸縮梁或翻轉(zhuǎn)梁臨時(shí)護(hù)頂機(jī)構(gòu)，支架一側(cè)設(shè)有可拆卸式擋矸板，可滿足工作面左右兩側(cè)回采巷道沿空留巷擋矸要求。

4 實(shí)施效果

1）聚能藥包可在施工巷道內(nèi)一次性制作完畢，然后集中整體推送進(jìn)入爆破鉆孔。現(xiàn)場(chǎng)26.5 m 孔深，單孔制作、裝藥時(shí)間約12 min，傳統(tǒng)裝藥時(shí)間40～50 min，僅為傳統(tǒng)裝藥方式的30%。

2）通過采用無機(jī)爆破封孔材料，集中安裝封孔裝置、集中制漿封孔。現(xiàn)場(chǎng)26.5 m 孔深，單孔封孔時(shí)間僅4～5 min，傳統(tǒng)炮泥封孔方式需要40～50 min，為傳統(tǒng)炮泥封孔方式的10%；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)沖孔率＜0.2%，遠(yuǎn)小于炮泥封孔方式的5%；實(shí)現(xiàn)了封孔作業(yè)機(jī)械化，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅提高了爆破效率。

3）通過快速裝藥工藝和快速灌漿封孔工藝的實(shí)施，檢修班可以完成3 次爆破任務(wù)，每次爆破長(zhǎng)度6 m，共計(jì)18 m，完全可以滿足工作面8 m/d 的推進(jìn)速度。

4）每日回采進(jìn)度8 m，柔膜充填袋設(shè)計(jì)寬度1.6 m、高度4 m、長(zhǎng)度4 m，單個(gè)柔膜充填體積25.6 m3，每日需要完成2 個(gè)或3 個(gè)柔膜充填，最大充填方量76.8 m3。井下混凝土制備輸送站實(shí)際充填能力45 m3/h，每班實(shí)際充填時(shí)間約2 h，完全可以滿足要求。實(shí)測(cè)混凝土墻體強(qiáng)度達(dá)到38.6 MPa。

5）根據(jù)留巷變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，墻體整體并未出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，多以剪切、片幫為主，說明混凝土強(qiáng)度滿足要求。局部劈裂的墻體，有效支撐寬度為1300～1400 mm，滿足支護(hù)和密閉要求。變形主要集中在留巷后方250 m 以內(nèi)，兩幫移近量約130 mm，頂板下沉量約80 mm，底鼓量約200 mm。工作面后方250 m 以后基本穩(wěn)定，巷道不再變形，可滿足下一工作面正常復(fù)用要求。