成升升,糜瑞杰

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)東瑞煤礦,山西 臨汾 042400)

切頂卸壓留巷以煤炭回收率高、重大災(zāi)害事故低等優(yōu)勢[1-2],已在我國多個煤礦推廣應(yīng)用[3-7]。張賽一[8]等人對頂板破碎出現(xiàn)偽頂情況下的切頂參數(shù)進(jìn)行了研究,但是目前的研究主要是針對切頂高度、切頂角度以及切頂間距等參數(shù)的研究,關(guān)于切縫爆破方式以及裝藥結(jié)構(gòu)的研究比較少。本文對山西某煤礦初采工作面的切頂卸壓爆破方式及裝藥結(jié)構(gòu)對切頂縫的影響進(jìn)行了分析研究,可為類似工程切頂卸壓爆破方式選取，以及裝藥結(jié)構(gòu)選擇提供參考。

1 工程概況

東瑞煤業(yè)2101首采工作面位于山西組2#煤層,煤層厚0.80～1.00 m,平均0.89 m,頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖,底板為泥巖。工作面綜合柱狀圖如圖1所示。2101工作面長度180 m,其待留巷順槽是輔運順槽,輔運順槽切頂鉆孔爆破后,落矸成巷,

圖1 工作面綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of working face

采用U型鋼+鋼筋網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合擋矸支護(hù)和噴涂高分子材料密閉巷道,可為下一個工作面服務(wù)。斷面為矩形,掘?qū)挕辆蚋?4 000 mm×3 000 mm。

2 爆破方案

2.1 鉆孔方案

通過理論計算和工程經(jīng)驗可以得出能夠確保切縫效果的可靠鉆孔方案,具體方案如表1所示。

表1 可靠鉆孔方案的關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters for a reliable drilling plan

在順槽內(nèi)與豎直方向呈20°夾角,打設(shè)深度為4.5 m,直徑為50 mm的切頂孔,爆破使用3節(jié)1.0 m的PVC聚能管裝藥,封堵不小于1.5 m。鉆孔示意圖如圖2所示。

圖2 鉆孔示意圖Fig.2 Drilling diagram

2.2 爆破方式

為了確保實現(xiàn)預(yù)裂頂板的同時能夠?qū)ο锏理敯暹M(jìn)行保護(hù),故采取定向聚能切頂爆破技術(shù)。該技術(shù)只需要在切縫線上施工放炮,僅產(chǎn)生貫通裂縫,具有爆破炸藥單耗低與對周圍巖石損失小的優(yōu)點。具體原理是通過預(yù)先在爆破孔內(nèi)安裝聚能裝置,聚能裝置上設(shè)有定向聚能槽,爆破時從槽內(nèi)釋放能量流,實現(xiàn)定向爆破補強。聚能爆破實質(zhì)上是通過聚能裝置使爆轟產(chǎn)物在孔壁非設(shè)定方向上產(chǎn)生均勻壓力,而在兩個設(shè)定方向上產(chǎn)生集中拉力,依靠巖石抗壓怕拉的特性,使巖石按設(shè)定方向斷裂,從而實現(xiàn)被爆巖體按設(shè)定方向張拉斷裂成型[9]，如圖3所示。

圖3 聚能爆破張拉原理圖Fig.3 Tension principle of cumulative blasting

2.3 設(shè)計裝藥結(jié)構(gòu)

針對初步鉆孔方案設(shè)計中給出的鉆孔深度,以4.5 m孔深為例,設(shè)計以下裝藥結(jié)構(gòu)用于開展試驗。

裝藥結(jié)構(gòu):單卷裝藥3.0 m,采用雷管起爆,0～0.8 m采用單卷裝藥,1～1.6 m采用單卷裝藥,2～2.4 m采用單卷裝藥,裝藥量為1.8 kg,封堵長度不小于1.5 m,如圖4所示。

圖4 設(shè)計裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Charge structure

2.4 實際裝藥結(jié)構(gòu)

原方案中設(shè)計了三種裝藥量1.8,2.0,2.2 kg,為安全考慮,選擇裝藥量較小的裝藥結(jié)構(gòu)。實際試驗時,由于原設(shè)計炸藥無法裝入聚能管,因此更換炸藥為300 g/卷,更換炸藥后的裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示,裝藥卷數(shù)為3+2+1。

圖5 實際試驗裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Test charge structure

3 爆破效果評價分析

3.1 爆破試驗方案效果分析

爆破后,由于頂板巖性較破碎,孔A和孔B附近的頂板出現(xiàn)小坑,尺寸約 1.5 m×1.0 m×0.5 m(長×寬×深)；孔C的孔口處出現(xiàn)輕微破壞,如圖6所示。巖石表面的孔間未發(fā)現(xiàn)明顯的貫通切縫。

圖6 切縫爆破效果圖Fig.6 Slit blasting effect

采用巖層探測儀對孔壁進(jìn)行窺視,可以發(fā)現(xiàn)在位于中間的孔B中,封堵段0～1.0 m段未發(fā)現(xiàn)切縫裂隙,1.0～1.5 m逐漸出現(xiàn)切縫的輕微裂隙。進(jìn)入裝藥段后,孔壁兩側(cè)的切縫效果明顯,但也存在孔壁過度破壞的現(xiàn)象,如圖7所示。

圖7 首次試驗孔內(nèi)窺視效果圖Fig.7 Peeping effect inside the hole of the first test

3.2 改進(jìn)后爆破裝藥結(jié)構(gòu)及效果分析

頂板較破碎導(dǎo)致不可避免地出現(xiàn)孔口巖石破壞掉落。然而試驗組孔間未發(fā)現(xiàn)貫通的切縫,但是裝藥段存在明顯的切縫和孔壁過度破壞的現(xiàn)象,因此考慮應(yīng)在保證不增加裝藥量的情況下,調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)。如圖8所示,將最外一節(jié)聚能管的炸藥放置于底端,增強對封堵段巖石的爆破作用,同時降低對裝藥段的過度破壞。

圖8 改進(jìn)后的裝藥結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Improved charge structure

在頂板較為破碎的區(qū)域仍出現(xiàn)了孔口爆坑,尺寸相似,雖然爆破后頂板表面沒有很明顯的可見裂隙,但發(fā)現(xiàn)爆坑輪廓與切縫線有一致的規(guī)律。切頂孔位于頂板完整性較好的位置,孔口破壞程度很小,如圖9所示。

圖9 改進(jìn)后切縫爆破效果圖Fig.9 Improved slit blasting effect

采用巖層探測儀窺視孔壁發(fā)現(xiàn)，封堵段破碎程度相對試驗段明顯變大,裝藥段有兩側(cè)裂隙,但仍存在孔壁過度破壞的現(xiàn)象,如圖10所示。

圖10 改進(jìn)后孔內(nèi)窺視效果圖Fig.10 Improved peeping effect inside the hole

3.3 爆破效果分析

從現(xiàn)場情況來看,試驗段前期由于鉆孔車改造,鉆孔采用錨桿鉆機(jī)鉆孔,錨桿鉆孔機(jī)存在鉆孔直徑不匹配,切頂孔成型質(zhì)量差等缺陷,爆破切縫效果不如后期鉆孔車改造后施工的鉆孔爆破效果好。

在進(jìn)行炮孔起爆時,由于工人疏忽,最后一個炮孔未接線,再進(jìn)行漏掉的炮孔單獨接線時,發(fā)生了拒爆問題。因此在施工現(xiàn)場必須配備專業(yè)的放炮員,負(fù)責(zé)雷管腳線和放炮母線連線工作的檢查。

試驗鉆孔施工時由于工人操作不熟練,存在鉆孔位置偏差。在安裝聚能管時,存在聚能管切縫方向存在偏差的問題,影響了切縫效果。

通過對實驗組與改進(jìn)組的裝藥結(jié)構(gòu)及爆破效果進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)切頂孔所在頂板的完整程度與封堵質(zhì)量決定了爆破后的頂板破壞程度,裝藥段決定了爆破后的切縫效果。尤其對于切頂孔位于頂板本身比較破碎的位置,不可避免地出現(xiàn)孔口巖石破壞掉落,形成爆坑,而無法形成貫通縫。因此在頂板較為破碎的切頂孔區(qū)域,在設(shè)計封堵長度的基礎(chǔ)上可以將裝藥結(jié)構(gòu)最外一節(jié)聚能管的炸藥放置于底端,增強對封堵段巖石的爆破作用的同時盡可能減少對頂板的破壞。

通過對比實驗組與改進(jìn)組可以發(fā)現(xiàn),封堵段的切縫相對較少,因此可以在頂板較為完整的切頂孔區(qū)域適當(dāng)縮短封堵長度,增強對封堵段巖石的爆破作用。對于本區(qū)域的頂板巖石條件而言,切頂孔位于頂板較為破碎的位置,炮孔封堵長度不得低于1.5 m;切頂孔位于頂板較為完整的位置,炮孔封堵長度可以取為1.3 m。

3.4 巷道成形效果分析

目前,2101綜采工作面已推進(jìn)70 m,工作面頂板已于推進(jìn)25 m時全部順利垮落。從留巷順槽現(xiàn)場情況來看,工作面端頭端尾頂板垮落滯后于工作面中部。這是由于在施工初期,工人施工不熟練導(dǎo)致爆破切頂鉆孔存在錯位的情況,整體而言改進(jìn)后的爆破切頂效果較好,頂板垮落未沖破擋矸支護(hù),說明東瑞煤礦2101工作面選取切縫角度20°,切頂孔深度4.5 m,直徑50 mm,孔間距0.6 m的爆破切頂參數(shù)較為合理,成巷效果良好。

3.5 切縫施工經(jīng)驗與建議

1)鉆孔應(yīng)保持在平行順槽的一條直線上,裝藥時聚能管切縫方向必須保持平行于順槽方向,可以有效地提高切縫貫通程度。

2)鉆孔優(yōu)先采用切頂鉆車,對于施工空間狹窄的地段可采用錨桿鉆機(jī),鉆頭保證每5個孔更換一次。

3)裝藥施工可由工人完成,但雷管腳線和放炮母線的連線工作必須由放炮員檢查完成,以防止爆破過程中出現(xiàn)漏爆、拒爆的情況。

4 結(jié)論

通過對裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在選擇切頂孔裝藥結(jié)構(gòu)時,通過合理的選擇和試驗裝藥結(jié)構(gòu)可以有效地提高切頂成縫效果。

在設(shè)計實驗方案時,應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮裝藥較少、安全性較好的裝藥結(jié)構(gòu)。通過現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn),改進(jìn)炸藥安裝順序與封堵長度可以有效地提高貫通縫的質(zhì)量。

切頂孔所在頂板的完整程度與封堵質(zhì)量決定了爆破后的頂板破壞程度,裝藥段決定了爆破后的切縫效果。在頂板較為破碎的切頂孔區(qū)域,為保證封堵段的切縫效果,可以在設(shè)計封堵長度的基礎(chǔ)上將裝藥結(jié)構(gòu)最外一節(jié)聚能管的炸藥放置于底端;在頂板較為完整的切頂孔區(qū)域,可以適當(dāng)縮短封堵長度。