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        堅(jiān)硬頂板采煤工作面深孔爆破卸壓技術(shù)應(yīng)用

        2021-11-17 02:50:46趙志營沛縣大屯礦區(qū)中大注漿工程有限公司江蘇徐州221000
        化工管理 2021年31期
        關(guān)鍵詞:圍巖支架

        趙志營(沛縣大屯礦區(qū)中大注漿工程有限公司,江蘇 徐州 221000)

        1 現(xiàn)場概況

        孔莊煤礦是大屯煤電集團(tuán)下屬生產(chǎn)礦井,主采3# 煤層,目前施工的4315 綜放工作面位于四盤區(qū)大巷以南,4313 工作面以西,4319 和4321 工作面以東,礦界以北。煤層平均厚度約6.0 m,工作面可開采長度達(dá)312 m,工作面采用“兩進(jìn)一回”型布置方式,順槽巷道均采用錨桿錨索及菱形金屬網(wǎng)、W 鋼帶聯(lián)合支護(hù)。據(jù)現(xiàn)場觀測,目前工作面端頭懸頂面積達(dá)到25 m2,綜放工作面端頭懸頂面積達(dá)到20 m2。為有效解決端頭懸頂問題,針對性改善相鄰巷道維護(hù)現(xiàn)狀,開展工作面頂板深孔爆破卸壓技術(shù)研究顯得十分必要。

        2 技術(shù)方案

        2.1 技術(shù)原理

        深孔爆破預(yù)裂卸壓原理如圖1 所示。圖中,深孔爆破預(yù)裂卸壓技術(shù)是利用頂板圍巖“抗壓怕拉”的性質(zhì),在順槽巷道煤柱側(cè)施工爆破孔,利用聚能管定向精準(zhǔn)爆破方式,使頂板圍巖沿設(shè)計(jì)方向縱向爆破,形成定向張拉裂縫[1],使頂板圍巖沿設(shè)計(jì)方向整體垮落,達(dá)到卸壓的目的。

        圖1 爆破預(yù)裂卸壓原理示意圖

        2.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

        首個(gè)深孔爆破預(yù)裂施工區(qū)域選擇4315 綜采工作面43153 巷,自停采線向前方1 200 m 范圍。瓦斯高位鉆場設(shè)計(jì)在43152 巷2#、8#、13# 橫川口,仰角穿過43153 巷進(jìn)入4315 工作面,終孔落在工作面頂板上方40 m 左右位置,終孔位置距43153 巷水平距離16 m??紤]到瓦斯高位鉆孔對爆破的影響,在瓦斯鉆孔前后各5 m 范圍不進(jìn)行爆破施工。

        2.2.1 孔傾角

        為保證爆破切頂效果,需要綜合考慮頂板圍巖特性、基本頂懸頂長度和爆破孔深度等。在圍巖特性確定的情況下,基本頂懸頂長度要求越小越好,此時(shí)鉆孔傾角應(yīng)沿法線位置箱采空區(qū)偏移[2],這樣既可以保護(hù)煤柱效果,也能最大限度減小懸頂面積。但由于鉆機(jī)尺寸及現(xiàn)場爆破裝藥等因素限制,在保證頂板圍巖上方位置不變的情況下,鉆孔傾角設(shè)計(jì)為75°。

        2.2.2 孔位置

        在巷道頂板施工爆破孔,位置如圖2 所示。

        圖2 鉆孔位置示意圖

        在巷道頂板適當(dāng)位置施工爆破鉆孔,為保證切縫效果,當(dāng)鉆孔位置緊貼煤柱幫、鉆孔傾角為0°時(shí),爆破切頂效果最為理想,資源回采率最高。結(jié)合現(xiàn)場頂板定向鉆機(jī)作業(yè)空間和鉆機(jī)尺寸,鉆孔位置最終確定為700 mm。

        2.2.3 破高度

        對堅(jiān)硬頂板而言,偽頂和直接頂是影響圍巖結(jié)構(gòu)和支撐壓力的主要部分。尤其是采空區(qū)直接頂,硬度較高不易斷裂,其自重和載荷將轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)向支撐壓力,直接作用于采空區(qū)煤幫,最終導(dǎo)致巷道變形及片幫等問題。因此在確定爆破高度時(shí),應(yīng)選擇將全部直接頂直接垮落,及爆破高度為偽頂和直接頂?shù)娜扛叨?。直接頂高度?jì)算公式如式(1) 所示:

        式中:M為巷道基本頂高度(m);h為綜采工作面采高(m),結(jié)合現(xiàn)場取6.3 m;Sa為工作面巖梁觸矸處沉降系數(shù),取值范圍為0.15~0.25;結(jié)合現(xiàn)場取值0.2;Ka表示巖梁觸矸處冒落巖層碎漲系數(shù),取值范圍為1.3~1.5;結(jié)合現(xiàn)場頂板巖性取1.3。

        代入公式計(jì)算,M=20.33 m,因此爆破高度選為20.33 m。

        2.3 爆破參數(shù)

        2.3.1 藥規(guī)格

        結(jié)合頂?shù)装鍖?shí)際情況,選用礦用三級乳化炸藥,炸藥直徑φ=45 mm,長l=500 mm,重量m=0.8 kg。該乳化炸藥以無機(jī)含氧酸鹽水溶液為分散相,以不溶于水的可液化的碳質(zhì)燃料為連續(xù)相,借助乳化劑的乳化作用和敏化劑(包括敏化氣泡) 的敏化作用而制成的一種油包水(W/O) 型乳脂狀混合炸藥,其爆炸性能好,威力大,爆轟感度高而機(jī)械感度低。

        2.3.2 耦合系數(shù)

        結(jié)合現(xiàn)場頂板巖性和巷道地質(zhì)資料,需要對爆破不耦合系數(shù)進(jìn)行安全評估,公式如式(2) 所示。

        式中:K為不耦合系數(shù);安全范圍為1.3~1.8;D為切頂巷道爆破孔直徑,根據(jù)現(xiàn)場要求為D=80 mm;φ為礦用三級乳化炸藥直徑,此時(shí)選取φ=48 mm。

        代入公式計(jì)算,得不耦合系數(shù)為1.67,符合安全評估條件。

        2.3.3 藥量

        《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,深孔爆破時(shí)封孔長度不低于孔深的1/3[3]。爆破高度為20.33 m,現(xiàn)場采用的為單根2 m 的聚能管,擬采用10 節(jié)聚能管,其中封孔段3 節(jié),其余裝藥按照礦井爆破工程集中度標(biāo)準(zhǔn),擬共計(jì)采用20.8 kg。本次方案根據(jù)以往深孔爆破施工經(jīng)驗(yàn)及頂板巖性設(shè)計(jì)裝藥量20.8 kg,共計(jì)使用26根藥卷。根據(jù)前期爆破試驗(yàn)效果,及頂板結(jié)構(gòu)的變化逐漸調(diào)整裝藥量。

        3 現(xiàn)場效果

        對43153 工作面推進(jìn)120 m 前后進(jìn)行了深孔爆破卸壓,并對120#、130#、140# 支架的工作阻力變化情況進(jìn)行為期48 天的觀測周期,通過觀測端頭支架工作阻力,對比爆破施工前后支架載荷變化,以及分析頂板深孔爆破預(yù)裂對頂板周期來壓步距、來壓強(qiáng)度的影響。現(xiàn)場監(jiān)測支架分布如圖3 所示。

        圖3 監(jiān)測支架分布示意圖

        由此得出三個(gè)支架工作阻力和工作面推進(jìn)距離關(guān)系如圖4 所示。

        圖4 深孔爆破卸壓前后支架阻力變化圖

        由圖可知,當(dāng)工作面周期來壓顯現(xiàn),試驗(yàn)支架所承受的最大平均工作阻力位39.1 MPa,爆破卸壓后,試驗(yàn)支架的平均工作阻力降至26.9 MPa,支架工作阻力顯著下降,且隨著工作面推進(jìn),工作阻力最大值逐漸減小,工作面周期來壓壓力逐漸放緩,切頂卸壓效果明顯。

        4 結(jié)語

        綜上可知,在孔莊煤礦43153 工作面順槽巷道正前16 m處使用深孔爆破切頂卸壓技術(shù),對堅(jiān)硬頂板實(shí)行深孔爆破,鉆孔傾角設(shè)計(jì)為75°,鉆孔位置為距巷幫700 mm,爆破高度選為20.33 m,共計(jì)使用26 根藥卷,裝藥量20.8 kg,爆破卸壓后,支架工作阻力顯著下降,工作面周期來壓壓力逐漸放緩,說明深孔爆破卸壓有效改變了頂板上方圍巖的應(yīng)力分布,減小了端頭懸頂面積,實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)硬頂板條件下的安全回采。

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