切頂卸壓在預(yù)防巷道變形中的應(yīng)用

鄭志新，張振龍

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 大陽煤礦分公司，山西 晉城 048003)

近年來，隨著工程施工技術(shù)不斷革新，在礦壓防治中常利用切頂爆破技術(shù)治理礦壓動力顯現(xiàn)。劉衍利等[1]針對柏林煤礦薄煤層沿空留巷圍巖變形嚴(yán)重，在0456(K24)工作面機巷采用切頂卸壓爆破沿空留巷技術(shù)，效果明顯，沿空留巷頂板變形量較小。湯建泉等[2]以趙固一礦16011工作面為工程背景,對頂板預(yù)裂切縫高度、角度以及鉆孔間距等主要指標(biāo)進行研究。張書軍等[3]為了解決九里山礦采掘接替緊張導(dǎo)致的沿空掘進的巷道變形嚴(yán)重的問題，對15071工作面運輸巷進行了深孔定向爆破卸壓的研究與實踐工作，深孔爆破切頂措施對相鄰的15091沿空掘進的巷道起到了良好的卸壓效果。陳上元等[4]以城郊煤礦21304工作面采用切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(shù)為工程背景，對雙向聚能拉伸爆破參數(shù)進行了研究。結(jié)果表明：4+3+2+0裝藥方式下，孔內(nèi)裂縫明顯、充分，裂縫率達(dá)到了86%，且工作面回采后頂板沿裂縫面及時垮落，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

1 工作面概況

1.1 工作面順槽布置

蘭花集團大陽分公司3404、3405兩個相鄰工作面均采用綜采放頂煤的開采方式，工作面布置圖見圖1. 3405工作面位于四采區(qū)中部，西部為車山井田，北部為3405準(zhǔn)備工作面(實體煤)，南部為3404回采工作面運輸順槽。3405運輸順槽以20 m的保安煤柱與3404運輸順槽平行布置，3405運輸順槽擔(dān)負(fù)3405工作面原煤運輸任務(wù)，同時作為進風(fēng)巷道。3405運輸順槽沿3#煤層頂板掘進(開口前70 m沿3#煤底板掘進)，該運輸順槽設(shè)計長度為1 325 m.

1.2 煤(巖)層賦存特征

3#煤層節(jié)理發(fā)育、煤質(zhì)普遍松軟，構(gòu)造頗多，含有夾矸1～2層，硬度平均f=3，煤層傾角平均在0～10%，為緩傾斜煤層，通過KT2地質(zhì)鉆孔資料顯示，煤層厚度平均在5.6～6 m. 3405運輸順槽地面位于上河掌村西北部，地表以山梁和山谷居多，溝壑發(fā)育。地面標(biāo)高為+1 102.21～+1 173.39 m，井下標(biāo)高為+655～+705 m，埋深為+447.21～+468.39 m，平均為+457.8 m.

3404工作面煤層偽頂為灰黑色泥巖，厚度0～0.5 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為3.2 m；基本頂為中砂巖或粗砂巖，厚度平均為8.5 m. 直接底為砂質(zhì)泥巖或細(xì)砂巖，厚度平均為8.5 m. 3404工作面頂板柱狀圖見圖2.

圖1 工作面布置圖

圖2 3404工作面頂板柱狀圖

2 切頂卸壓設(shè)計

2.1 爆破準(zhǔn)備和實施

1) 煤礦許用炸藥。

品種：三級乳化炸藥，規(guī)格：d60 mm×480 mm，密度：1 180 kg/m3，炸藥爆速：3 500 m/s，單卷藥量：1.5±0.1 kg/卷，雷管：煤礦許用8#普通瞬發(fā)電雷管(或同段位毫秒延期電雷管)，導(dǎo)爆索：使用專用導(dǎo)爆索，規(guī)格為d5.2～5.5 mm(或d6.5±0.3 mm)，爆速≥6 000 m/s.

2) 鉆孔施工機具。

鉆機采用ZLJ-350煤礦用坑道鉆機1臺(也可用該礦已有鉆機，不管何種型號完成炮孔即可)，并配備d63.5 mm鉆桿，金剛石鉆頭，鉆頭d70～75 mm. 炮泥規(guī)格d60 mm×200 mm，炮泥采用沙子與黃土制作。

2.2 孔網(wǎng)參數(shù)

1) 布孔方式。

沿膠帶巷回采側(cè)肩角布一排平行孔，d75 mm，傾角β=75°，見圖3.

圖3 預(yù)裂爆破炮孔布置方式圖

2) 炮孔長度計算。

a) 切頂高度計算。

為使工作面上隅角垮落后，完全充填采空區(qū)，則切頂高度Mz依據(jù)式(1)計算：

C=(1-η)TKm

(1)

式中：

Mz—切頂高度，m；

KA—冒落巖石的破碎脹大系數(shù)，取1.35；

H—割煤高度，m，取2.7；

T—頂煤厚度，m，取3.3；

SA—基本頂下位巖梁觸矸處的沉降值，m，在一般采場SA=0.2H；

C—殘煤厚度，m；

η—放出率，取0.85；

Km—頂板垮落碎脹系數(shù)，取1.2.

經(jīng)計算，得：MZ=14 m.

b) 炮孔長度計算。

由式(1)切頂高度分析，可以得出巷道上方垂直距離14 m為爆破對象。為了取得較好爆破效果，取切頂高度的1.1倍作為炮孔深度，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，確定炮孔長度取L=15 m.

3) 炮孔間距計算。

a) 按應(yīng)力波疊加作用計算(采用不耦合裝藥)。

a=2(b·p2/σt)1/α·rb

(2)

(3)

式中：

a—炮孔間距，m；

σt—巖石的抗拉強度，MPa，取3.9；

p2—炮孔壁開始時候的最大受力，MPa，取3 940.36；

ρ0—炸藥密度，kg/m3，取1 005；

D—爆炸速度，m/s，取3 500；

α—應(yīng)力波峰值在巖體內(nèi)的衰減指數(shù)，α=2-b，此處取1.67.

b—側(cè)應(yīng)力系數(shù)，b=μ/(1-μ)，取b=0.25/(1-0.25)=0.33；

rb—炮孔半徑，m，取0.037 5；

n—壓力增倍數(shù)，取5；

dc—炸藥直徑，mm，取60；

db—炮孔直徑，mm，取75；

由式(3)計算，得：

p2=3 940.36 MPa

由式(2)計算：

a1=2.42 m

b) 從爆生氣體準(zhǔn)靜壓和受到的應(yīng)力波同時作用于炮孔壁分析，在炮孔內(nèi)的爆生氣體以密封的狀態(tài)存在，以準(zhǔn)靜壓的方式作用在炮孔壁，其應(yīng)力分布狀態(tài)等同于均勻內(nèi)壓的厚壁筒。根據(jù)彈性力學(xué)的厚壁圓筒理論及巖石中的抗拉強度準(zhǔn)則，有

a=2(p0/σt)1/2·rb

(4)

式中：

p0—作用于炮孔壁的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，當(dāng)采用不耦合裝藥時，有：

(5)

由式(4)計算：

a2=2(p0/σt)1/2·rb=0.76 m

爆生氣體準(zhǔn)靜壓和受到的應(yīng)力波同時作用炮孔布置的間距取a=a1+a2=3.18 m.

因為P2和P0均遠(yuǎn)大于頂板抗壓強度，所以會造成孔壁嚴(yán)重破碎，使能量損失，為了爆破后裂隙可靠延伸，a暫取3 m. 最終炮孔間距須根據(jù)頂板巖性、巖層結(jié)構(gòu)和切縫效果對炮孔間距進行動態(tài)調(diào)整。

2.3 裝藥參數(shù)

采用孔底不耦合連續(xù)裝藥，裝藥長度9 m. 單孔裝藥量：

Q=q×l

(6)

式中：

q—每米裝藥量，kg/m，取3；

l—裝藥長度，m.

由式(6)計算，得：Q=27 kg(18卷)

2.4 裝藥結(jié)構(gòu)

由切縫鉆機完成炮眼孔，總深度為15 m，其中炸藥安裝長度取9 m，炮泥封孔長度取6 m. 將許用雷管塞入最外端藥卷端頭，采用正向起爆裝藥方式，2根腳線引入孔外。將1根導(dǎo)爆索與炸藥捆扎，導(dǎo)爆索總長度取9.5 m，裝藥結(jié)構(gòu)見圖4.

圖4 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖

2.5 爆破網(wǎng)絡(luò)與起爆方式

試炮時，采用煤礦許用瞬發(fā)電雷管，串聯(lián)接法，正向起爆，考慮到保持巷道頂板的穩(wěn)定性，單次最多起爆取3個炮孔。視炮孔變形情況，確定爆破參數(shù)后，采用毫秒延時爆破，但總延時不超過120 ms.

2.6 切縫試驗

1) 初始裝藥炮孔間距確定為3 m，為了便于觀測切縫效果，在兩個裝藥炮孔之間增加空孔。炮孔布置圖見圖5.

2) 首先根據(jù)試驗方案進行單孔試驗，確定合理的裝藥量和封孔長度。當(dāng)頂板巖性或巖層結(jié)構(gòu)變化較大時必須重新進行單孔爆破試驗，確定合理的裝藥量和封孔長度。

3) 分別實施間隔爆破，對預(yù)留空孔進行窺視察看，確定爆破效果。

4) 若在放炮眼中間的空眼中煤巖未產(chǎn)生縫隙，必須重新開始放炮，從效果來決定采用的爆破方式和孔眼數(shù)量。

3 切頂效果

爆破完成后，利用鉆孔窺視儀對預(yù)留空孔觀察(切頂效果見圖6)，孔內(nèi)裂隙明顯，起到了切頂爆破的效果，有效地降低了側(cè)向頂板懸臂梁上覆荷載以及旋轉(zhuǎn)變形壓力，改善了巷道應(yīng)力環(huán)境。

圖6 切頂效果圖

通過對3405膠帶順槽安設(shè)的頂板在線監(jiān)測儀和巷道收斂儀數(shù)據(jù)比對分析可知，頂板離層量和巷道收斂量均控制在30 mm之內(nèi)，有效減小了運輸順槽頂?shù)装逡平亢拖锏朗諗苛俊?/p>

4 結(jié) 語

通過在鄰近3405運輸順槽的3404運輸順槽實施爆破切割頂板，降低了傳導(dǎo)至3405運輸順槽的圍巖壓力，改善了巷道所承受的力學(xué)環(huán)境，保證了3405運輸順槽滿足工作面回采時的巷道屬性要求。