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        斷頂爆破在4310 工作面防治沖擊地壓的研究和應(yīng)用

        2021-11-09 07:58:36王龍飛趙燕席
        山東煤炭科技 2021年10期
        關(guān)鍵詞:微震裝藥炸藥

        王龍飛 趙燕席 王 飛

        (濟寧能源發(fā)展集團(tuán)有限公司義橋煤礦,山東 汶上 272511)

        為做好義橋煤礦4310 工作面回采期間的沖擊地壓防治,防止回采過程中工作面壓力過大帶來的潛在沖擊危險,對工作面煤層進(jìn)行松動爆破預(yù)卸壓處理,隨采煤工作面推進(jìn)逐步釋放煤層聚集的彈性能,減弱工作面沖擊危險性,就采用頂板爆破預(yù)裂對4310 工作面切眼和兩順槽頂板進(jìn)行了處理[1-8]。

        1 概述

        4310 工作面位于義橋煤礦四采區(qū)膠帶下山以北,并以采區(qū)膠帶下山為工作面膠帶順槽,北面為原4308 工作面軌道順槽,4310 工作面軌道順槽距離4308 采空區(qū)最近處30 m,東側(cè)為四采區(qū)軌道巷,西側(cè)為FY19 斷層。開采水平為-335m 水平,工作面標(biāo)高為-546.5~ -630.6 m,地面標(biāo)高為+44.5~+45.2 m,煤層埋深591.0~675.8 m,平均633.4 m。工作面開采煤層為早二迭系山西組3 煤層,以亮煤為主,次為暗煤,煤層結(jié)構(gòu)較簡單,厚度較穩(wěn)定。由于受斷層FY19 的影響,煤層傾角局部變大。根據(jù)山東科技大學(xué)《4310 工作面沖擊地壓危險性評價報告》得出4310 工作面為“中等沖擊工作面”。為防止回采后采空區(qū)頂板堅硬巖層因懸頂面積過大突然垮落時造成的強烈沖擊影響,工作面回采前對工作面切眼、兩順槽進(jìn)行頂板爆破斷頂預(yù)裂。

        2 鉆孔布置參數(shù)

        地質(zhì)柱狀圖顯示,4310 工作面與堅硬頂板之間的平均距離為17.1 m。為了達(dá)到降低沖擊地壓危險性的目的,選取頂板深孔爆破垂高17.1 m,根據(jù)炮眼深度的計算如式(1):

        式中:L為鉆孔的理論深度;h1為偽頂和直接頂?shù)纳疃龋籬2為頂板中細(xì)砂巖的深度;α為鉆孔的設(shè)計傾角。

        設(shè)計鉆孔深度為20 m,傾角為60°,軌順施工鉆孔朝工作面外傾斜,如圖1(a),皮順施工鉆孔朝工作面內(nèi)傾斜,如圖1(b)。

        圖1 工作面斷頂鉆孔布置示意圖

        炸藥爆炸后,從爆破原點向外依次形成三個區(qū)段,分別為壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動區(qū)。通過爆破作用產(chǎn)生的影響作用主要為壓碎區(qū)和裂隙區(qū),只要計算出兩者之間的具體范圍,就可以確定出鉆孔之間的深度和間距。頂板預(yù)裂爆破是在頂板深孔中進(jìn)行的,不耦合裝藥時,應(yīng)該按照爆炸應(yīng)力波來計算出卸壓爆破的壓碎區(qū)和裂隙區(qū)的具體范圍。經(jīng)計算炸藥爆炸后形成的裂隙區(qū)半徑為2.3 m,直徑為4.6 m,去掉壓碎區(qū)后設(shè)計炮眼之間裂隙帶的間距為10 m。

        3 裝藥量參數(shù)

        已知空氣不耦合裝藥條件下,炮眼壁上產(chǎn)生的沖擊壓力Pc為:

        式中:Lc為鉆孔中藥卷的總長度;La為鉆孔中封孔的總距離;ρe、D分別為炸藥密度和爆速,ρe=1.20×103kg/m3,D=4400 m/s;dc、db分 別 為 炸藥和炮孔直徑,Φ58 mm(3 株藥卷捆綁在一起)和Φ76 mm;n為爆生氣體碰撞巖壁時產(chǎn)生的應(yīng)力增大倍數(shù),n=8~12,取12。

        當(dāng)Pc≤KbSc時,要充分考慮到爆破原始點產(chǎn)生的沖擊波壓力在煤巖體中不斷地衰減,由式(2)可以得出每米鉆孔的裝藥長度:

        式中:α為沖擊波應(yīng)力波在煤巖體中的衰減指數(shù),取值α=2.0;Kb為應(yīng)力狀態(tài)下煤巖體抗壓強度的增大系數(shù),取Kb=5.5;Sc為煤巖體單軸抗壓的強度,義橋煤礦取Sc=105 MPa。

        根據(jù)J.R.不里克曼的套管分離理論,爆破套管能夠分隔爆炸沖擊波產(chǎn)生的能量,爆破產(chǎn)生氣體分析可以研究爆破能量的不同分區(qū)情況。首次沖擊波能量約占炸藥總能量的10%~20%左右,爆炸產(chǎn)生的氣體膨脹能量約占炸藥總能量的50%~60%左右,故爆炸產(chǎn)生的氣體膨脹能量破壞作用最大。沖擊波能量主要作用在壓碎區(qū),而氣體膨脹能量作用在裂隙區(qū),其余的20%~30%的爆炸能量由于損失掉而變?yōu)闊o用能。

        其中考慮到首次沖擊波主要用于煤巖體壓碎區(qū)、裂隙區(qū)的形成和擴展,其能量為一個區(qū)間,因此取一個能量平均值15%。經(jīng)計算,每米鉆孔需要的裝藥長度為:

        爆破鉆孔孔底裝藥長度為7 m,其中4 m 位于頂板粉砂巖巖層內(nèi),3 m 位于頂板細(xì)粒砂巖巖層內(nèi)(見圖1)。

        4 爆破參數(shù)及技術(shù)要求

        炸藥使用煤礦許用三級乳化炸藥,規(guī)格主要為Ф27 mm×250 mm,150 g/支;雷管主要使用煤礦許用Ⅰ~Ⅴ毫秒延期電雷管,總延期時間不能超過130 ms;放炮母線必須使用銅芯阻燃爆破母線(長度300 m);封孔使用規(guī)格為Φ32 mm×250 mm 的水泥藥卷;爆破筒采用PE 管(內(nèi)徑Ф60 mm),使用長度12 m,每孔裝藥12.6 kg,每三支炸藥用膠布集束在一起,放入爆破筒內(nèi),爆破筒裝藥長度7 m/84 支,同段位毫秒延期電雷管14 發(fā);水泥藥卷封孔長度不小于3 m,其余用黃泥封孔。具體鉆孔爆破參數(shù)見表1。

        表1 工作面爆破斷頂孔施工爆破參數(shù)表

        裝藥的具體結(jié)構(gòu)如圖2。

        圖2 裝藥具體結(jié)構(gòu)效果

        該次頂板預(yù)裂爆破共設(shè)計鉆孔53 個,受現(xiàn)場環(huán)境影響,實際施工爆破孔50 個。鉆機隊歷時7 d,爆破隊用時13 d,完成全部爆破工作。

        5 效果檢驗

        工作面區(qū)域監(jiān)測采用微震監(jiān)測(如圖3),局部監(jiān)測方式采用應(yīng)力在線與鉆屑法配合進(jìn)行監(jiān)測。選取SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)對工作面進(jìn)行沖擊地壓危險實時監(jiān)測,微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠全覆蓋整個4310 工作面,通過礦震時釋放能量的大小來確定沖擊地壓發(fā)生的危險程度。

        圖3 4310 工作面回采期間微震測站布置平面圖

        其中斷頂爆破預(yù)裂事件集中在6 月20 日至7月3 日,根據(jù)現(xiàn)場微震監(jiān)測,能量事件發(fā)生情況如圖4。其中6 月6 日至6 月19 日發(fā)生2 次大能量事件,能量級數(shù)最大級數(shù)為1.0×103J;6 月20 日至7 月4日發(fā)生50次大能量事件,最大能量級數(shù)9.0×103J;7 月4 日至7 月18 日發(fā)生2 次大能量事件,能量級數(shù)為101J,能量級數(shù)下降2 個單位級。

        圖4 4310 工作面能量事件發(fā)生情況統(tǒng)計圖

        6 結(jié)論

        (1)回采過程中采用爆破斷頂?shù)姆椒?,回采過程中可不施工大直徑卸壓鉆孔;若回采過程中仍存在高應(yīng)力集中區(qū),可在高應(yīng)力集中區(qū)附近施工大直徑卸壓鉆孔。

        (2)斷頂爆破預(yù)裂中難點集中在鉆孔施工和后期裝藥連線過程中,其中為減少對現(xiàn)場施工的影響,采取提前打眼、集中爆破的工藝,即提前準(zhǔn)備好深孔爆破眼,集中一個班次逐個爆破。

        (3)斷頂爆破鉆孔施工后應(yīng)立即進(jìn)行裝藥爆破,防止鉆孔放置長時間后受泥巖和應(yīng)力作用造成鉆孔變形,給后期裝藥爆破造成影響。

        (4)斷頂爆破預(yù)裂技術(shù)造成頂板破壞影響,給后期回采支護(hù)帶來困難,同時裝藥階段較為原始,主要為人力裝藥,需要人數(shù)較多,如果增加鉆孔深度,后期裝藥將會更加困難。

        (5)斷頂爆破預(yù)裂技術(shù)分區(qū)域采用,后期應(yīng)采用微震進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測,采用鉆屑法進(jìn)行局部監(jiān)測。

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