張鵬飛

（山西焦煤山煤國際長春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101）

陷落柱是綜采工作面常見地質(zhì)構(gòu)造之一。陷落柱侵入后不僅破壞了回采煤層整體穩(wěn)定性、增加了機(jī)械破巖量[1-4]，而且工作面在過陷落柱區(qū)時，圍巖穩(wěn)定性差，很容易出現(xiàn)頂板破碎、冒漏現(xiàn)象。目前我國多數(shù)煤礦主要采用采煤機(jī)強(qiáng)行破巖法過陷落區(qū)。但是當(dāng)陷落柱內(nèi)巖體硬度大以及陷落區(qū)范圍大時，采用機(jī)械破巖不僅回采效率低、回采難度大[5-7]，而且增加了機(jī)械設(shè)備故障率，不利于工作面安全回采[8]。因此，根據(jù)陷落柱腔體巖體巖性合理選擇回采工藝對工作面安全高效回采具有重要意義。以長春興煤礦601工作面為對象，對工作面過X4陷落柱時的方法、措施進(jìn)行分析比較，通過對陷落柱內(nèi)巖體提前進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破，使巖體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙帶，弱化巖體力學(xué)結(jié)構(gòu)，從而降低巖體硬度，達(dá)到工作面順利過陷落柱的目的。

1 概述

山西焦煤山煤國際長春興煤業(yè)有限公司601工作面位于井田南盤區(qū)，工作面東部為盤區(qū)大巷，南部為井田邊界及中煤金海洋五家溝煤礦5214工作面采空區(qū)，西部為礦井西部礦界及山煤集團(tuán)韓家洼煤礦，北部為設(shè)計(jì)南盤區(qū)西南部未開采區(qū)域，如圖1所示。

圖1 601工作面平面布置

601工作面走向長1 460 m，傾斜寬230 m，開采22#煤層，煤層總厚12.47 m，儲量計(jì)算厚度9.5 m，含3-4層夾矸。煤層大致走向東西，傾向北。傾角較小，平均2°，呈一單斜構(gòu)造。煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 22#煤層頂?shù)装鍘r性匯總

601工作面采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤開采，采用全部垮落法處理采空區(qū)，平均采高為3.5 m，放煤高度為6.0 m，采放比例為1:1.7。

2 回采方案優(yōu)化

2.1 工作面揭露構(gòu)造情況

601工作面回采至764 m處，尾部（130#～114#支架）煤壁揭露X4陷落柱，該陷落柱長軸與運(yùn)輸順槽走向近似平行，長軸長為54 m，短軸長為26.7 m，陷落柱貫穿整個工作面，腔體內(nèi)巖體主要以中粗砂巖為主，巖體單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)55 MPa。

2.2 工作面前期回采情況

601工作面揭露X4陷落柱后主要采用采煤機(jī)強(qiáng)行破巖進(jìn)行回采，由于揭露的陷落柱巖體硬度高，采煤機(jī)截割負(fù)荷大，導(dǎo)致截齒損壞嚴(yán)重，而且工作面回采效率低。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，601工作面從764～780 m回采期間共計(jì)損壞采煤機(jī)截齒37個，截割電機(jī)負(fù)荷加大，導(dǎo)致截割部發(fā)熱閉鎖停機(jī)3次，影響工作面回采時間達(dá)8.9 h；同時由于巖體厚度大，采煤機(jī)強(qiáng)行破巖時效率相對較低，工作面回采速度不足3.2 m/d。

2.3 回采方案優(yōu)化

為提高工作面回采效率，降低設(shè)備故障率，針對陷落柱區(qū)域的回采作業(yè)，提出三種方案。

（1）采用松動爆破方法過陷落柱，布置3排計(jì)45個爆破鉆孔，如圖2所示。每個鉆孔內(nèi)填裝300 g礦用乳化炸藥、1發(fā)毫秒延期電雷管，每次爆破松動炮孔數(shù)量為5個。采用陷落柱巖體松動爆破后可以有效減少采煤機(jī)破巖量，降低設(shè)備故障率，但是松動爆破時鉆孔施工、爆破等施工工序復(fù)雜，施工周期長，工作面回采效率低。

圖2 松動爆破孔平面布置

（2）采用繞道法進(jìn)行回采，即在陷落柱與煤層交界處施工兩條互相垂直的巷道，工作面回采時將陷落柱直接甩入采空區(qū)內(nèi)。采用該方法回采時無需破巖，但是需對尾部114#～130#支架進(jìn)行提前搬運(yùn)至工作面前方新掘巷道內(nèi)（如圖3所示），勞動作業(yè)強(qiáng)度大，而且在回采期間工作面與超前巷道貫通時，圍巖出現(xiàn)破碎巖性，圍巖維護(hù)困難，不利于施工安全。

圖3 繞道法過陷落柱平面

（3）深孔預(yù)裂爆破方法，對陷落柱巖體施工超長鉆孔，然后對鉆孔內(nèi)填裝乳化炸藥對陷落區(qū)巖體進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破，巖體在爆破震動的作用下產(chǎn)生裂隙，降低了巖體致密性，爆破施工后采用采煤機(jī)回采時，降低了采煤機(jī)破巖難度。該方法施工工藝相對簡單，提高了采煤機(jī)破巖效率，降低了采煤機(jī)破巖期間故障率。

通過對比分析，決定采用深孔預(yù)裂爆破施工技術(shù)過X4陷落區(qū)。

3 深孔預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用

3.1 深孔預(yù)裂爆破技術(shù)原理

在需要爆破的圍巖施工爆破鉆孔，在鉆孔內(nèi)填裝聚能管及乳化炸藥進(jìn)行起爆。聚能管內(nèi)炸藥起爆后，由于裝藥結(jié)構(gòu)的不耦合狀態(tài)和爆轟氣體準(zhǔn)靜應(yīng)力作用，使得非設(shè)定方向上圍巖產(chǎn)生均勻抗壓[9]，在設(shè)定的2個方向（聚能管切槽方向）上集中抗拉；同時，爆轟產(chǎn)生的沖擊波和應(yīng)力波優(yōu)先沿設(shè)定聚能管切槽方向集中釋放，致使爆炸能作用于2個方向的孔壁處，當(dāng)作用于鉆孔孔壁上的拉應(yīng)力大于巖石動態(tài)抗拉強(qiáng)度時，就形成與2個聚能管切槽方向一致的徑向預(yù)裂縫[10]，爆轟氣體優(yōu)先沿2個聚能管切槽方向驅(qū)動裂隙并使其加速擴(kuò)展，如圖4所示。

圖4 深孔爆破預(yù)裂原理

3.2 預(yù)裂爆破孔布置方式

陷落柱爆破鉆孔采用“三花”布置方式，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔深度為15 m，相鄰兩排鉆孔布置間距為2.0 m，第一排鉆孔開口位置距頂板間距為0.7 m，第二排鉆孔開口位置距底板間距為0.8 m，每組布置三個鉆孔，相鄰兩組鉆孔布置間距為2.5 m，相鄰兩組鉆孔采用三花邁步式布置，如圖5所示。

圖5 預(yù)裂爆破施工平面

3.3 聚能管結(jié)構(gòu)

聚能管由主體管、連接套筒、定位裝置3部分組成。主體管采用長度為2.0 m，外徑為65 mm，壁厚為3.5 mm，內(nèi)徑為58 mm的PVC圓管。聚能管具有阻燃性能好、抗靜電效果好等優(yōu)點(diǎn)，在主體管兩側(cè)對稱切槽，切槽長度與主體管長度一致，切槽寬度為5 mm，深度為2 mm，相鄰兩根聚能管采用套筒進(jìn)行固定，聚能管的上、下兩端分別設(shè)置有1個對穿定位孔，如圖6所示。

圖6 聚能爆破裝藥結(jié)構(gòu)

3.4 施工工序及操作要領(lǐng)

（1）爆破鉆孔施工完后為了掌握炮孔是否變形、塌孔，保證聚能管是否可順利裝入，應(yīng)采用專用聚能輸送管串接作為探桿進(jìn)行探孔施工，探孔過程中應(yīng)安排專人記錄有效孔深。如果遇到卡阻現(xiàn)象，說明孔內(nèi)有殘?jiān)?，接入壓風(fēng)管處理，或者將該鉆孔廢棄重新鉆孔施工[11]。

（2）探孔完成后進(jìn)行聚能管及炸藥填裝，每個鉆孔內(nèi)安裝6根聚能管，每節(jié)聚能管內(nèi)填裝2支礦用乳化炸藥，裝藥量為0.6 kg；首先將第一根聚能管定位孔穿入定位鋼絲，在鋼絲出口處安裝定位銷，聚能管安裝時確保切槽中心線與鉆孔中心線垂直布置。

（3）第二節(jié)聚能管裝藥及聚能管安裝工序與第一節(jié)相同，相鄰兩節(jié)聚能管在進(jìn)行對接時，首先將圓形套筒環(huán)內(nèi)壁涂抹粘接劑，將第一節(jié)聚能管上端頭插入環(huán)形套筒內(nèi)至套筒凸起，插入套筒內(nèi)深度為0.15 m，將第二節(jié)聚能管下端頭同樣插入套筒內(nèi)，兩節(jié)聚能管連接后保證切槽在同一條水平線上[12]。

（4）為了防止聚能管之間的炸藥斷開，引起鉆孔內(nèi)殘爆，在最前面的第一根聚能管與最后一根聚能管之間采用導(dǎo)爆索連接，具體方法為：準(zhǔn)備好足夠長度的導(dǎo)爆索，在聚能管推入鉆孔孔口之前，在聚能管上鉆一對穿孔，直徑略大于導(dǎo)爆索直徑，導(dǎo)爆索一端穿過對穿孔20～50 cm，另一端順著聚能管向下，用膠帶紙纏緊，直接連到最后一根聚能管。在最后一根聚能管插入2只雷管，將兩只雷管腳線并聯(lián)，用雷管母線連接并聯(lián)腳線，順聚能管引出。

（5）爆破鉆孔內(nèi)聚能管及炸藥安裝后對孔口處采用水炮泥進(jìn)行封孔，封孔長度為3.0 m。待所有工序完成后進(jìn)行爆破施工，每次爆破一組鉆孔，陷落柱區(qū)共計(jì)布置10組鉆孔，鉆孔爆破后采用采煤機(jī)繼續(xù)回采。

3.5 應(yīng)用效果

（1）截止2021年3月14日，采取深孔預(yù)裂爆破技術(shù)后，601工作面已完全通過陷落柱，現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，預(yù)裂爆破降低了巖體強(qiáng)度及致密性，采煤機(jī)割煤時難度減小，局部大塊矸石，僅需松動爆破即可。

（2）采用深孔預(yù)裂爆破后，采煤機(jī)共計(jì)更換7個截齒，未發(fā)生一起因采煤機(jī)破巖負(fù)荷大導(dǎo)致截割部發(fā)熱停機(jī)現(xiàn)象，減少了設(shè)備維修費(fèi)用達(dá)20余萬元。

（3）與傳統(tǒng)松動爆破施工以及繞道法施工相比，深孔爆破預(yù)裂施工工藝簡化了作業(yè)工序，保證了工作面回采安全，提高了工作面回采效率，后期回采過程中回采速度達(dá)6.0 m/d。

4 結(jié)論

1）對601工作面陷落柱巖體采取深孔預(yù)裂爆破，能夠改變巖體內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)，并可對陷落柱巖體產(chǎn)生超前預(yù)裂，降低巖體抗壓強(qiáng)度及致密性，緩解采煤機(jī)組截割難度，降低采煤設(shè)備故障率。

2）在進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破施工時應(yīng)合理掌握鉆孔布置方式及裝藥量，根據(jù)巖體強(qiáng)度可在原“三花”鉆孔的基礎(chǔ)上布置空眼，從而保證爆破施工時能夠形成連續(xù)穩(wěn)定的自由面，可增強(qiáng)爆破效果。

3）采用預(yù)裂爆技術(shù)后，工作面過陷落柱推進(jìn)速度由原3.2 m/d提高至6.0 m/d，設(shè)備故障率降低了74%。