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        綜放工作面深孔聚能爆破卸壓技術(shù)研究

        2021-02-26 05:26:38焦云飛
        煤炭與化工 2021年1期
        關(guān)鍵詞:煤柱傾角采空區(qū)

        焦云飛

        (晉城藍焰煤業(yè)股份有限公司 成莊礦,山西 晉城 048000)

        0 引 言

        成莊礦主采山西組3 號煤層,煤層平均厚度約6.0 m,工作面采用多巷布置,綜采工作面采高大、工作面長、推進速度快,礦壓顯現(xiàn)強烈。復(fù)用巷道的維護一直是困擾礦井安全生產(chǎn)的難題,通過提前深孔預(yù)裂頂板,阻斷采空區(qū)上覆巖層的礦山壓力向煤柱方向傳遞,減小或消除復(fù)用巷道的有害變形,保證圍巖的整體完整性,避免巷道圍巖變形破壞后進行二次甚至多次巷修,降低了巷道的支護難度和支護成本,保障工作面安全高效生產(chǎn),提出綜采工作面深孔聚能爆破卸壓技術(shù)[1-4]。

        1 工作面概況

        5334 工作面位于一水平五盤區(qū),煤層為3 號煤層,走向長度共計1 270 m,傾斜長度221 m,平均煤厚6 m。該工作面位于五盤區(qū)大巷以北,5314 大采高工作面以西,5316 工作面以東。5314工作面已回采完畢,5316 工作面還未形成。工作面采用“兩進一回”方式布置巷道,工作面巷道即53341 巷(斷面5 m×3.2 m),53342 巷(斷面5.0 m×3.2 m)、53343 巷 (斷面 5.0 m×3.2 m) 及切眼(斷面8.5 m×3.0 m),主要采用全錨支護,部分巷道采用錨網(wǎng)支護。53341 巷為主進風(fēng)巷(運輸巷)、53343 巷為輔助進風(fēng)巷(皮帶巷)、53342 巷為回風(fēng)巷,5334 工作面巷道布置如圖1 所示。

        圖1 5334 工作面巷道布置示意Fig.1 Roadway layout of 5334 working face

        2 深孔聚能爆破卸壓技術(shù)原理

        深孔爆破預(yù)裂卸壓的實質(zhì)是通過在頂板內(nèi)布置爆破孔,借助聚能爆破實現(xiàn)定向切縫,減小采空區(qū)側(cè)懸頂長度,達到復(fù)用巷道卸壓目的,如圖2 所示。其中,定向預(yù)裂是卸壓護巷的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。采用普通裝藥爆破工藝,爆破沖擊波易向孔內(nèi)四周擴散,壓力作用分散,爆轟能量很大部分被消耗在破碎巖石上,裂隙產(chǎn)生沒有特定規(guī)律,爆轟能量作用如圖3(a) 所示。頂板深孔聚能爆破技術(shù)充分利用巖石“抗壓不抗拉”的特性,提出雙向聚能張拉爆破成型技術(shù),聚能爆破作用如圖3(b) 所示?,F(xiàn)場實施過程中,爆轟能量按照預(yù)先設(shè)定的方向瞬間釋放,形成強力氣楔力并集中作用于設(shè)定方向,巖層受到的張拉力遠大于其抗壓強度,孔內(nèi)貫通裂隙產(chǎn)生[5-7],如圖3 所示。

        圖2 爆破預(yù)裂卸壓原理示意Fig.2 Pressure relief principle of blasting pre-splitting

        圖3 2 種爆破模式下頂板巖體裂隙發(fā)育趨勢預(yù)測Fig.3 Prediction of crack development trend of roof rock mass under two blasting modes

        3 鉆孔參數(shù)設(shè)計

        3.1 鉆孔位置

        鉆孔位置S 即鉆孔開孔處與巷道煤柱側(cè)巷幫的距離,理論上鉆孔位置S 越小越好,但由于頂板鉆機需要作業(yè)空間和方便頂板鉆機施工等客觀因素,鉆孔位置S 通常需要取一定數(shù)值。結(jié)合53343 巷頂板支護情況及對履帶式鉆機設(shè)備等情況的調(diào)研,確定爆破鉆孔與煤柱幫距離S=700 mm,如圖4 所示。

        圖4 鉆孔位置示意Fig.4 Drilling position

        3.2 鉆孔傾角α 和β

        鉆孔傾角α 是鉆孔與豎直方向的夾角,傾角β是指在巷道中線剖面圖中,鉆孔與水平方向的夾角。爆破鉆孔傾角α 要考慮爆破后,預(yù)裂線上方基本頂懸露長度等影響因素,理論上傾角α 略偏向采空區(qū)效果最佳,不僅能夠最大程度的縮短煤柱上方頂板懸臂梁長度,而且能夠減少對煤柱上方頂板完整性的破壞,但53343 巷為皮帶巷,鉆機施工條件受限,因此傾角α 設(shè)計為0。傾角β 過小則需要增加爆破孔深度及炸藥量,過大則給快速裝藥操作造成很大的困難,綜合以上情況及以往施工經(jīng)驗,設(shè)計β=75°,如圖5 所示。

        圖5 爆破鉆孔傾角β 示意Fig.5 Angle β of blasting borehole

        3.3 爆破高度

        根據(jù)爆破預(yù)裂卸壓技術(shù)原理,影響復(fù)用巷道穩(wěn)定的主要因素為側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律,側(cè)向支承壓力的形成是采空區(qū)基本頂將其自身重量及其承受的載荷向采空區(qū)周邊轉(zhuǎn)移的結(jié)果,下位基本頂?shù)拇蟛糠州d荷主要由采空區(qū)承擔(dān),而上位不易垮落的基本頂破斷后繼續(xù)以巖梁的形式將載荷傳遞至采空區(qū)周邊,是影響側(cè)向支承壓力分布的重要影響因素。采空區(qū)上方頂板殘留邊界主要位于基本頂內(nèi),因此確定爆破高度為基本頂?shù)纳线吔纭?/p>

        基本頂厚度計算可采用以下公式:

        式中:mz 為基本頂厚度,m;h為采高,取6.3 m;Sa 為巖梁觸矸處沉降值,一般取0.15 ~0.25,此次取值0.2;Ka 為巖梁觸矸處冒落巖層碎漲系數(shù),一般取1.3 ~1.5;泥巖取1.3。

        代入公式計算,mz=20.33 m,因此爆破高度H0=20.33 m,炮孔深度L=H0/sinβ=20.33/sin(75°)=21.05 m。

        4 深孔聚能爆破卸壓效果評價

        為驗證頂板深孔聚能爆破效果,在53342 巷內(nèi)布置多組表面位移測站,取其中一處巷道變形情況進行說明,頂?shù)装寮皟蓭鸵平咳鐖D6 所示。隨著工作面逐步推進,巷道圍巖變形量均呈增大趨勢。與未采取卸壓措施巷道相比,卸壓段巷道兩幫移近量最大值由350 mm 降低為180 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾涤?00 mm 降低為450 mm。通過現(xiàn)場監(jiān)測表明,采取頂板深孔爆破卸壓措施有效控制了復(fù)用巷道圍巖有害變形,為礦井類似條件下復(fù)用巷道維護提供寶貴經(jīng)驗。

        圖6 爆破卸壓前后巷道圍巖變形曲線Fig.6 Deformation curve of surrounding rock before and after blasting pressure relief

        5 結(jié) 語

        通過在53343 巷煤柱側(cè)提前進行頂板深孔聚能爆破施工,減小采空區(qū)側(cè)懸頂長度,減弱上覆巖層作用于區(qū)段煤柱的強度,達到復(fù)用巷道卸壓的目的。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測表明,與未采取卸壓措施巷道相比,53342 巷卸壓段巷道兩幫移近量最大值由350 mm 降低為180 mm,頂?shù)装逡平孔畲笾涤?00 mm 降低為450 mm,頂板深孔聚能爆破卸壓有效控制了復(fù)用巷道變形,取得良好的經(jīng)濟效益。

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