王志武

(晉能控股煤業(yè)集團 四老溝礦，山西 大同 037000)

1 工程概況

同煤集團煤峪口礦81020工作面位于井下410盤區(qū)南部，工作面北部為81018工作面采空區(qū)、南接81022工作面(現(xiàn)掘進)、西接11號、12號層410盤區(qū)軌道巷、東隔礦界與忻州窯礦相鄰；工作面開采11號、12號煤層，煤層厚度為7.4～8.9 m，平均厚度為8.1 m，平均傾角為2°，煤層硬度f為2.6，煤層頂?shù)装鍘r層特征如圖1所示。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r層柱狀

81020工作面長度為155.6 m，可回采長度為410 m，采用綜合機械化放頂煤采煤方法，機采高度為2.9 m，放煤高度為5.2 m，循環(huán)進度為0.5 m，放煤采用一刀一放、單輪間隔順序放煤法。81020工作面采用四巷布置，兩回采巷均沿著11號、12號層底板掘進，工藝巷及頂回風巷沿11號、12號層頂板掘進，具體工作面平面位置如圖2所示。由于煤層較為堅硬，頂板屬于堅硬頂板，現(xiàn)為提高頂煤的回收率，擬采用深孔預裂爆破技術(shù)對頂煤進行弱化，特進行頂煤爆破弱化技術(shù)的研究與分析。

圖2 工作面布置平面示意

2 頂煤爆破弱化機理分析

針對堅硬煤層綜放工作面，放煤作業(yè)時頂煤由于硬度較大，易出現(xiàn)頂煤難以垮落，回收率較低的現(xiàn)象。為破壞頂煤完整性、提升頂煤回收率，采用爆破技術(shù)對頂煤進行弱化，炸藥爆炸時產(chǎn)生的爆炸沖擊波和爆生氣體會聯(lián)合作用在煤體中，根據(jù)相關(guān)理論研究可知[1-3]，當炸藥在無限大且均質(zhì)的煤體中爆破時，此時煤體中部將會形成以炸藥為中心由遠至近的破壞區(qū)域，根據(jù)各個區(qū)域破壞程度的不同可劃分為粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性區(qū)，具體爆破后分區(qū)如圖3所示。

圖3 煤巖體在爆炸荷載下分區(qū)

粉碎區(qū)主要是爆炸沖擊波在炮孔附近煤體作用下粉碎產(chǎn)生的區(qū)域，粉碎區(qū)的半徑較小，其一般為藥包直徑的數(shù)倍。裂隙區(qū)主要是爆炸應力波壓縮周邊煤體，周邊煤體在應力波作用下產(chǎn)生徑向裂隙拉伸形成的區(qū)域，該區(qū)域范圍一般為藥包直徑的十幾倍。裂隙區(qū)以外的煤體，其在應力波狀態(tài)和爆生氣體的共同作用下形成的準靜態(tài)應力場，不足以使得該區(qū)域的煤體產(chǎn)生破壞，煤體在應力作用下只能以煤體質(zhì)點彈性振動的方式向外傳播，該區(qū)域可稱為彈性振動區(qū)。

頂煤在進行深孔爆破時，爆破作用會有效弱化頂煤，當爆炸柱狀藥包起爆后，煤巖體在爆炸應力波及爆生氣體膨脹應力聯(lián)合作用下，煤體會發(fā)生首次損傷破壞現(xiàn)象，當爆生氣體傳播至煤巖體后，其會在裂縫邊界產(chǎn)生一定的壓力加載，該壓力加載會進一步引起煤巖體的二次損傷破壞。頂煤在一次損傷破壞階段重點在于造新縫，此時頂煤爆破弱化沒有自由面，因此在該階段產(chǎn)生的裂縫及損傷帶主要由應力波直接加載導致；煤體在二次損傷階段，在該階段煤體內(nèi)裂隙不斷擴展，當爆生氣體楔入新生裂縫后，其會對裂縫兩側(cè)施加較高的壓力，其能夠?qū)е铝严独^續(xù)向前擴展，具體頂煤爆弱化如圖4所示。

圖4 頂煤爆破弱化示意

3 爆破方案及效果

3.1 爆破方案

3.1.1 頂煤松動預裂爆破范圍

81020工作面采用在工藝巷遠離工作面煤壁打眼爆破松動法，超前工作面煤壁20 m以外預爆破，對頂煤起到預裂和破碎作用，待開采時又能利用采動引起的超前支撐壓力二次破碎頂煤。

3.1.2 預裂爆破炮孔布置

因該工作面頂煤比較厚，在工藝巷分別垂直于巷道兩幫按單排眼布置，孔間距為1.0 m，炮孔距巷道頂板1.2 m，施工范圍通尺至停采線20 m。裝藥孔的長度確定：從工藝巷向兩頭打鉆，頂回風巷留10 m煤柱，膠帶巷留10 m煤柱。裝藥孔的封孔長度10 m。煤體預爆破孔的布置方式及主要技術(shù)特征：①施工鉆具為KHYD75dIA-3KW礦用隔爆電動巖石鉆，孔徑63 mm；②根據(jù)煤層厚度，炮孔布置為在工藝巷分別垂直于巷道兩幫按單排眼布置，孔水平間距為1.0 m，孔距巷道底板1.2 m，施工范圍通尺至距停采線20 m；③煤體預爆破孔施工必須超前工作面煤壁20 m以上；④依據(jù)410盤區(qū)已采面的經(jīng)驗確定煤體爆破孔的參數(shù)見表1。

表1 煤體爆破孔參數(shù)

具體81020綜放工作面頂煤深孔預裂爆破鉆孔布置形式如圖5所示。

圖5 頂煤弱化爆破鉆孔布置示意

3.1.3 裝藥、聯(lián)炮、封孔、爆破

1) 裝藥：采用正向裝藥結(jié)構(gòu)，使用Ⅲ級煤礦許用粉狀乳化炸藥，規(guī)格為D50 mm×500 mm，重量為1 kg。

2) 聯(lián)炮：每孔使用單個瞬發(fā)雷管，孔與孔之間用串聯(lián)方式聯(lián)接。

3) 封孔：導爆索導爆，封泥使用水炮泥及粘土，封泥分兩次進行，第一次先封至距孔口0.8 m處，第二次封土時先將雷管與導爆索捆好，塞入該空段內(nèi)，再封泥，直到封滿搗實，將外露雷管腳線短路。具體爆破鉆孔正向裝藥結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 爆破鉆孔正向裝藥結(jié)構(gòu)示意

3.1.4 爆破施工

1) 爆破超前工作面水平距離不得小于20 m。在開采初期，第一次實施煤體預爆破的放炮時間為開切眼初次放頂之后進行。

2) 根據(jù)眾多研究結(jié)論和爆破工程經(jīng)驗[4-6]，確定一條巷道一次起爆個數(shù)為8個孔，當放炮位置距工藝巷口350 m時，改為一次起爆4個孔。

3.2 效果分析

為有效分析81020綜放工作面頂煤采用爆破技術(shù)后的弱化效果，采用地震CT的方式分別對爆破弱化前后頂煤的致密性和完整程度進行探測分析，根據(jù)探測結(jié)果分別得出工作面頂煤在采用爆破弱化前后地震CT波形數(shù)據(jù)和頻譜數(shù)據(jù)圖如圖7所示。

圖7 頂煤爆破前后地震CT波形和頻譜數(shù)據(jù)

分析圖7(a)和7(b)可知，頂煤爆破前，波形在同相軸上的連續(xù)性好，且地震波信號的持續(xù)時間較長，達到350 ms，這即表明探測區(qū)域頂煤致密完整，地震波信號的衰弱速度較慢；從頻譜上分析能夠看出，頂煤未采取爆破弱化技術(shù)時，此時震波信號的主頻高且呈現(xiàn)出一致的狀態(tài)，平均約160 Hz，這能夠進一步說明探測區(qū)域煤體的完整致密性。

分析圖7(c)和7(d)可知，頂煤爆破后，地震波在頂煤同相軸的連續(xù)性出現(xiàn)較大幅度的降低，震波信號在頂煤中的持續(xù)時間也出現(xiàn)一定程度的下降，從頻譜分析可知，震波信號的主頻與深孔爆破前相比較為分散，爆破后主頻主要在100～180 Hz之間，綜合上述分析可知，煤體在經(jīng)過深孔爆破后，測區(qū)范圍內(nèi)頂煤的完整性被破壞，煤體強度降低，爆破對頂煤產(chǎn)生了有效的弱化。

另外在81020工作面回采期間，通過現(xiàn)場觀測、收集分析的方式對爆破前后的頂煤回收率進行對比分析，結(jié)果可知，頂煤未采用弱化報破技術(shù)前，其頂煤回收率僅能夠達到61%，當頂煤采用弱化爆破技術(shù)后，頂煤回收率能夠達到89%，頂煤回收率大幅提升。

4 結(jié) 語

根據(jù)81020綜放工作面的地質(zhì)條件，通過理論分析頂煤爆破弱化機理，結(jié)合工作面具體參數(shù)進行頂煤深孔爆破弱化技術(shù)方案的設計，確定預裂爆破范圍、炮孔布置、裝藥結(jié)構(gòu)等參數(shù)，根據(jù)工作面頂煤爆破前后地震CT和頂煤回收率的對比分析可知，深孔爆破能夠有效實現(xiàn)對頂煤的弱化作用。