煤礦初次放頂爆破參數的優化

鄭 偉

(山西焦煤集團 投資有限公司，山西 太原 030021)

·試驗研究·

煤礦初次放頂爆破參數的優化

鄭 偉

(山西焦煤集團 投資有限公司，山西 太原 030021)

某煤礦應用綜放工作面以來，初次放頂先后經歷了自然垮落和深孔爆破兩個階段，雖然采用深孔爆破初次放頂效果有所改善，但是依然存在炮眼布置多、工序復雜、投入人力物力較多等弊端，且放頂過程風路紊亂不好控制。采用SYY-56型水壓致裂地應力測量系統對1306綜放工作面地應力進行測量，結合1302綜放工作面深孔爆破經驗，對深孔爆破的爆破參數進行優化，初次來壓垮落步距比原來減少5～10 m，提高了初采過程頂煤回收率，極大地降低了壓架風險，簡化了爆破工序，節約了初采成本，風路得到很好控制，保障了作業安全。

初次放頂；水壓致裂法；深孔爆破；爆破參數

某煤礦2011年進行資源整合，改進了采煤工藝，從2010年開始應用綜放工作面，已開采2個工作面，初次放頂經歷了兩個階段。

1300綜放工作面為該礦第一個綜放工作面，采用頂板自然垮落處理初次放頂，在綜放工作面初采過程中，初次來壓步距較長，為30～40 m，基本頂初次來壓時自然冒落的面積較大，且經常出現壓架和瓦斯超限現象，風路紊亂不好控制，對工作面人員、設備、通風設施的威脅較大，且初采過程中頂煤回收率低。

1302綜放工作面為第二個綜放工作面，結合相鄰礦井的經驗，采用深孔爆破技術對初次放頂的基本頂進行預裂，放頂效果較第一次改進很多，放頂效果較好，但在切眼內布置的爆眼較多，打眼、裝藥投入的人力物力較多，工序復雜，放頂過程中仍然出現瓦斯超限和風路紊亂等現象。

1306綜放工作面采用深孔爆破法進行初次放頂前，總結前兩個階段初次放頂的經驗和教訓，得出：造成初次放頂初次來壓較大，導致壓架和瓦斯超限等現象的原因是過分依賴相鄰礦井經驗，沒有對本礦井圍巖的地應力進行準確測量，缺少準確的數據做支撐。

水壓致裂法因其具有能測量較深處的絕對應力狀態、是最直接的測量方法，無需了解和測定巖石的彈性模量、測量應力的空間范圍較大，受局部因素的影響較小、不需要套芯工序、井下測量速度快，成功率較高等優點，現已得到國內外比較廣泛的應用。該礦1306綜放工作面采用SYY-56型小孔徑水壓致裂地應力測量裝置對工作面圍巖地應力進行測量，裝置采用小直徑鉆孔(56 mm)，可在井下進行快速、大面積地應力測量。SYY-56型水壓致裂地應力測量裝置圖見圖1.

圖1 SYY-56型水壓致裂地應力測量裝置圖

1 1306綜放工作面概述

1306綜放工作面為傾斜長壁布置，工作面長151 m，推進長度955 m，工作面全部采用三巷布置方式，分別為運輸巷、回風巷和瓦斯尾巷，主采煤層為3#煤，該工作面位于瓦斯無突出危險區，可以正常回采，煤層賦存在上古生界二疊系山西組下部地層中，根據運輸巷、回風巷和開切眼掘進巷道探煤情況推斷，內煤層厚度4.5～6.0 m，煤層厚度穩定，平均厚度5.75 m，全煤層中含夾矸1～2層，以亮煤為主，鏡煤次之，多呈塊狀及碎塊狀，本工作面無大的地質構造，從東至西呈上坡趨勢，整體為單一背斜構造。1306綜放工作面巷道布置圖見圖2.

圖2 1306綜放工作面巷道布置圖

2 1306綜放工作面地應力測量

2.1 測點布置

針對本次測試，在該工作面3條巷道中有選擇性地分別布置2個測點，共6個測點。運輸巷布置2個測點，編號1，2；回風巷布置2個測點，編號3，4；瓦斯尾巷布置2個測點，編號5，6. 為了保證測試的準確性和代表性，在選擇測點的過程中，避開了大的構造帶，測點處的頂板相對完整；測點間根據施工巷道的長度保持一定的距離。每個測點布置2個測孔，鉆孔直徑均為56 mm. 頂孔深度20 m左右，鉛垂布置；煤幫孔深度10 m左右，要求與水平方向有3°～5°夾角，使水能順利流出，避免水的潤濕作用影響煤體強度的測試結果，壓裂段的深度為215～569 m，頂板鉆孔施工完畢，用水把孔壁沖洗干凈，避免殘留巖屑對測試段選取的影響。

2.2 地應力測量及數據分析

利用SYY-56型水壓致裂地應力測量儀對壓裂過程中的壓力和時間進行實時采集，得到每個測點的水力壓裂曲線，見圖3，4，5，6，7，8.

測點1(巷道高度3.8 m，距孔口12.4 m)地應力測試結果(圖3).

圖3 第一測點水力壓裂曲線圖

測點2(巷道高度3.8 m，距孔口12.5 m)地應力測試結果(圖4).

圖4 第二測點水力壓裂曲線圖

測點3(巷道高度3.8 m，距孔口13.4 m)地應力測試結果(圖5).

圖5 第三測點水力壓裂曲線圖

測點4(巷道高度3.8 m，距孔口12.5 m)地應力測試結果(圖6).

圖6 第四測點水力壓裂曲線圖

測點5(巷道高度3.6 m，距孔口13.9 m)地應力測試結果(圖7).

圖7 第五測點水力壓裂曲線圖

測點6(巷道高度3.9 m，距孔口18.2 m)地應力測試結果(圖8).

圖8 第六測點水力壓裂曲線圖

根據采集到的曲線通過軟件分析得到應力計算所需要的破裂壓力、重張壓力和瞬時關閉壓力，最大水平主應力、最小水平主應力和垂直應力值：

最小水平主應力：σh=Ps-γwh

垂直應力：σv=γH

最大水平主應力：σH=3Ps-Pr-2γwh

式中：

Pr、Ps、P0、Pb—讀數儀上的重張壓力、封閉壓力、靜水壓力及破裂壓力，MPa；

γw—水的容重，MN/m3；

h—測點到讀數儀的垂直距離，m；

γ—上覆巖層容重巖石；

H—埋深,m.

帶入相關參數，可將各測點應力值通過計算得到，經過匯總，見表1.

表1 某煤礦1306工作面地應力測量匯總表

由表1可知：

1) 該礦1306綜放工作面地應力測試6個測點中，最大水平主應力在10～18 MPa的有4個測點，占67%，最大水平主應力小于10 MPa的測點有 2個，占33%.

根據相關判斷標準：0～10 MPa為低應力區，10～18 MPa為中等應力區，18～30 MPa為高應力區；大于30 MPa為超高應力區。6個測點中最大水平主應力最大值為11.54 MPa，垂直應力最大值為13.78 MPa，最小水平主應力最大值為6.55 MPa. 由此判斷本次測試區域地應力場在量值上屬于中等偏低應力區。

2) 6個測點中最大水平主應力大于垂直主應力的測點有3個，占總測點的50%；垂直主應力大于最大水平主應力的測點有3個，占總測點的50%，這些測點蓋山厚度均超過了400 m，同該礦的地貌特征具有重大的關系。因此，本工作面原巖應力總體上以水平應力為主，構造應力占絕對優勢，屬于典型的構造應力場類型，而深部區域則主要以垂直應力場為主，屬于自重應力場。

3) 測點最大水平主應力方向集中在N14.3°W～N41.8°W，測點最大水平主應力方向一致性相對較高，沒有發生大的偏轉。從另一方面也說明了區域構造較為簡單，最大水平主應力方向為NNW方向。

3 巖體可爆性分析

根據該礦1306綜放工作面地應力測量結果可知：該工作面應力場屬于中等偏低應力區，最大垂直應力為13.78 MPa，最小垂直應力為4.58 MPa，采用電子鉆孔窺視儀對頂板圍巖進行觀測發現，該工作面頂板上覆巖層主要為厚度5.8 m的泥質砂巖、厚度為1.6 m的泥巖、厚度為5.5 m的中粒砂巖、厚度為2.8 m的砂質泥巖，巖體整體性良好，微裂隙發育。查閱相關資料可知，頂板上覆巖層巖石普氏硬度系數為6～10，屬中硬巖，巖石可爆性見表2.

表2 巖石可爆性分析表

4 深孔爆破方案優化

4.1 1302綜放工作面炮眼布置

預裂爆破孔為200個，切眼爆破長度為1 400 m，炮眼中心線距切眼上幫1.5 m；爆破孔深度為7 m；炮眼封口采用黃泥封口。切眼初次放頂深孔爆破炮眼布置見圖9.

4.2 1306綜放工作面炮眼布置優化方案

采用水壓致裂法對1306綜采工作面地應力測量結果分析可知，該工作面應力場屬于中等偏低應力區，最大垂直應力為13.78 MPa，最小垂直應力為4.58 MPa，且頂板上覆圍巖屬于中硬巖，結合1302綜放工作面的初放經驗，對1306綜采面深孔預裂爆破進行了改進：1) 改變預裂爆破孔深度，以采用深孔爆破為主，淺孔爆破為輔，由原來統一孔深7 m改變為28個孔深16 m和16個孔深8 m. 2) 切眼爆破長度由原來的1 400 m減少為576 m，將預裂爆破孔由原來的200個孔減少為44個孔，其中孔長16 m的28個，成孔與水平方向仰角30°，垂深全部為8 m. 孔深8 m的16個，成孔與水平方向仰角75°，并將炮眼中心線由距切眼上幫側1.5 m改進為2.5 m. 3) 改進封口方式，將原來炮眼封口采用黃泥封孔，改進為圓臺倒楔形木塞，提高了炮泥的密封效果，增強了爆破效果。4) 減少放炮次數，由于炮眼數量和裝藥量大大減少，保證了爆破安全性，由原來10次放炮減少為4次放炮。

圖9 1306切眼初次放頂深孔爆破炮眼布置圖

5 結 論

1) 1306綜放工作面實施深孔預裂爆破后，支架后部空間被冒落的煤和矸石全部充填密實。工作面架后頂板自然形成一個長140 m左右、深6～7 m的溝槽，實現了頂板預裂的目的。

2) 初次來壓垮落步距比原來減少5～10 m，達到20～25 m，頂板初次來壓逐漸從工作面后部向前部顯現，整個過程中未出現切頂、壓架和颶風現象，同時提高了頂煤的回收率。

3) 由于深孔在綜放設備安裝前已打好，同時整個炮眼長度減少了近2/3，減少了人力和物力。炸藥和雷管等爆破物資也節約了近1/3.

4) 放炮次數減少，孔眼較深，提高了放頂效果，保障了作業安全。

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[3] 陳萬平.綜采工作面堅硬頂板深孔強制爆破放頂的應用[J].內蒙古煤炭經濟，2008(4)：28-30.

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Optimization of Initial Caving Blasting Parameters in Coal Mine

ZHENG Wei

In the case of fully mechanized top coal caving face in a coal mine, the initial caving method has experienced two stages: natural caving method and deep hole blasting. Although the effect of initial caving has been improved by deep hole blasting, there are still many cases of defects, such as too much blasting spot, complex in process, more human and material cost, more worse, the air flow in airway seems hard to be controlled with in some cases disordered. The SYY-56 hydraulic fracturing stress measurement system is introduced to the No.1306 fully mechanized top coal caving face for detail measurement, combined with the experience of deep hole blasting in No.1302 fully mechanized coal caving face, the blasting parameters of deep hole blasting were optimized. The space of main falls for first rock weighting shortened 5-10m during which top coal recovery rate improved, the risk of support crushing by pressure drastically reduced, the blasting process simplified, costs lowered, and the air flow is well controlled, the safety guaranteed.

Initial caving; Hydraulic fracturing; Deep hole blasting; Blasting parameters

2016-12-29

鄭 偉(1988—)，男，山西五臺人，2010年畢業于太原理工大學，助理工程師，主要從事采掘技術管理工作

(E-mail)527317991@qq.com

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1672-0652(2017)01-0038-04