頂板深孔預(yù)裂爆破封孔技術(shù)研究及應(yīng)用

姚 杰

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大西煤礦，山西 晉城 048000）

1 工程概況

大西煤礦2303 工作面主要開采3 號煤層，煤層厚度1.21～4.53 m，采用一次采全高綜采工藝，全部垮落法管理頂板。工作面沿煤層底板布置4 條巷道，采用錨桿支護(hù)、錨索補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)方式。工作面北為23031 巷、23034 巷，主要為進(jìn)風(fēng)巷和運(yùn)輸巷；南為23032 巷，作為回風(fēng)、運(yùn)輸巷，23033 巷作為輔助進(jìn)風(fēng)巷和皮帶巷；西為切眼，用于安裝綜采設(shè)備。工作面巷道為矩形斷面，斷面5.0 m×3.8 m。如圖1。

圖1 2303 綜采工作面巷道布置

3 號煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖和碳質(zhì)泥巖，平均厚度為3.24 m；基本頂為砂巖，平均厚度為6.17 m；直接底為細(xì)粒砂巖，平均厚度0.79 m；基本底為泥巖，平均厚度5.14 m。

由于2303 工作面受本工作面和臨近工作面的雙采動影響，導(dǎo)致所留設(shè)巷道變形破壞嚴(yán)重，且維護(hù)困難、維護(hù)費(fèi)用高。

為緩解巷道變形嚴(yán)重的問題，采用頂板深孔爆破技術(shù)，阻斷采空區(qū)上覆巖層的礦壓向煤柱方向傳遞，減小巷道頂板來壓對臨近巷道的影響，進(jìn)而改善巷道圍巖變形情況，降低巷道的支護(hù)難度和支護(hù)成本。炮孔的封孔質(zhì)量直接影響巷道頂板的預(yù)裂效果[1]，研究高效封孔材料及封孔技術(shù)，設(shè)計合理的深孔爆破參數(shù)，能夠有效提高爆破氣體的做功效率，減少有害氣體外溢，保證礦井生產(chǎn)安全高效進(jìn)行[2-3]。

2 深孔預(yù)裂爆破封孔工藝

2.1 封孔材料

傳統(tǒng)爆破封孔材料主要為黏土炮泥、水炮泥等，封孔工藝多為人工搗實(shí)，對于大傾角深孔爆破存在封孔困難、工作量大、封孔效率低等問題。為此，研發(fā)出高效封孔材料，高效封孔材料由A、B 兩種組分的無機(jī)雙液注漿材料組成，A 料、B 料按0.8:1配比單獨(dú)加水?dāng)嚢韬笾苽涞膯我翰牧峡砷L時間存放不凝固、不泌水。將單液材料進(jìn)行等量混合攪拌后，具有固化時間短、早期強(qiáng)度高、泵送性強(qiáng)等性能。注漿封孔的工藝，改進(jìn)了傳統(tǒng)炮泥的封孔方式，解決了深孔爆破封孔工序復(fù)雜、黏土炮泥搗實(shí)困難的問題，實(shí)現(xiàn)了爆破封孔機(jī)械化作業(yè)，提高了預(yù)裂爆破的工作效率。

2.2 封孔膜袋工作原理

高效注漿封孔材料失流時間為3～8 min，在進(jìn)行注漿封孔前需要對孔口進(jìn)行封堵，孔口采用封孔膜袋進(jìn)行封堵。封孔膜袋材質(zhì)為柔性膜，該膜袋不易滲水，具有很好的密封性能。通過泵送漿液使密封袋膨脹，對孔壁產(chǎn)生側(cè)向壓力，進(jìn)而達(dá)到堵口的作用。封孔膜袋主要包括：膜袋、單向閥、堵頭、注漿管和快速接頭。封孔膜袋示意圖如圖2。

圖2 封孔膜袋示意圖

工作原理：漿液通過注漿管與封孔膜袋的快速接頭連接，漿液通過單向閥進(jìn)入袋體。當(dāng)膜袋內(nèi)充滿漿液并滲出少量水，同時膜袋無法拉動時，膜袋內(nèi)漿液充滿。待漿液凝固后，高效封孔材料達(dá)到封孔強(qiáng)度，封堵孔口工藝結(jié)束。

2.3 封孔工藝流程

封孔長度是決定爆破效果的關(guān)鍵因素，封孔長度參數(shù)的合理選取以及準(zhǔn)確控制直接影響爆破質(zhì)量。因此，為保證封孔長度準(zhǔn)確達(dá)到設(shè)計要求，針對新型高效封孔材料，設(shè)計出一種準(zhǔn)確控制封孔長度的封孔施工工藝。具體工藝流程如圖3。

圖3 封孔施工工藝示意圖

封孔膜袋為中空結(jié)構(gòu)，將進(jìn)漿管和返漿管通過膜袋插入炮孔中。其中，進(jìn)漿管與返漿管直徑為10 mm，返漿管插入孔底的深度應(yīng)大于進(jìn)漿管，才能實(shí)現(xiàn)返漿的目的。返漿管在炮孔中的深度即為封孔深度，該封孔工藝能夠保證封孔長度的準(zhǔn)確性。

具體封孔順序?yàn)椋海?）將高效封孔材料按A料和B 料分別倒入制漿桶內(nèi)攪拌，水料比為1:0.8。A 料漿液和B 料漿液通過混合管路混合。（2）將混合管與封孔膜袋的快速接頭連接，對膜袋進(jìn)行注漿。膜袋封孔結(jié)束后，停止氣動注漿泵注漿。（3）將混合管從膜袋快速接頭取下，連接到進(jìn)漿管，繼續(xù)注漿封孔，直到返漿管出現(xiàn)漿液停止注漿。待漿液凝固后，炮孔封孔結(jié)束。

3 深孔爆破工業(yè)性試驗(yàn)

為檢驗(yàn)爆破封孔技術(shù)現(xiàn)場使用效果，在大西煤礦2303 工作面23031 巷道進(jìn)行頂板深孔預(yù)裂爆破工業(yè)性試驗(yàn)。

3.1 炮孔參數(shù)設(shè)計

炮孔位置位于煤柱幫側(cè)，考慮到現(xiàn)場工況條件，設(shè)計炮孔位置距煤柱幫側(cè)距離S為0.7 m。鉆孔與巷道斷面夾角α為0°，鉆孔與巷道走向方向的夾角β為75°。

根據(jù)頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)原理，爆破切頂卸壓頂板超前預(yù)裂高度H0需要能夠覆蓋到2303 工作面的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)。2303 工作面上覆巖層中，中粒砂巖和粉砂巖分別為第一和第二關(guān)鍵層，切縫高度需切過第二關(guān)鍵層。設(shè)計高度H0為30.3 m，鉆孔深度H設(shè)計為31.5 m，鉆孔直徑Φ為75 mm，鉆孔間排距L為2.0 m。炮孔參數(shù)設(shè)計圖如圖4。

圖4 炮孔參數(shù)設(shè)計圖（m）

合理的封孔長度是保證預(yù)裂爆破效果的關(guān)鍵。封孔長度過短，炮孔的密封性得不到保證，爆炸沖擊壓力出現(xiàn)外泄，進(jìn)而對炮孔側(cè)向的預(yù)裂作用減弱，爆炸產(chǎn)生的有害氣體可能外溢到巷道，對工人健康產(chǎn)生危害；封孔長度過長，爆破預(yù)裂的深度減小，上覆巖層關(guān)鍵層可能出現(xiàn)不完全斷裂的情況。針對深孔預(yù)裂爆破施工工藝，封孔長度一般為鉆孔深度的30%左右[4]，因此設(shè)計封孔長度為9.5 m。具體炮孔參數(shù)匯總表見表1。

表1 炮孔參數(shù)匯總表

3.2 深孔爆破封孔施工及效果檢驗(yàn)

現(xiàn)場封孔施工采用水料比1:0.8 的高效封孔材料，封孔長度為9.5 m。通過計算單孔所用封孔材料質(zhì)量不少于60 kg，A 料和B 料包裝均為40 kg 一袋。考慮到注漿余量，每個炮孔A 料和B 料各使用一袋。注漿設(shè)備有SQZB40/20 雙液氣動注漿泵及QB100 型氣動攪拌機(jī)。

高效封孔材料現(xiàn)場注漿封孔施工工序?yàn)椋海?）準(zhǔn)備工作。將注漿封孔設(shè)備放置在炮孔附近，將注漿泵和攪拌桶按管道進(jìn)行連接。按封孔長度截取注漿管和返漿管，將注漿管、返漿管和封孔膜袋插入到炮孔中，封孔膜袋底部距孔口約0.3 m。（2）制漿。在裝藥完成前5 min，按設(shè)計的水料比分別向A、B制漿桶加水，打開攪拌系統(tǒng)，加入高效封孔材料攪拌均勻。（3）注漿。注漿包括孔口封堵和孔段封孔兩部分，具體施工工藝在2.3 節(jié)做了詳細(xì)介紹。（4）清洗設(shè)備。注漿結(jié)束后，馬上用清水清洗注漿設(shè)備和注漿管路，防止?jié){液凝固，造成管路堵塞。

通過對現(xiàn)場施工情況以及爆破預(yù)裂效果分析，高效封孔材料有效地解決了深孔爆破難以封孔的問題，且單孔封孔時間平均為15 min，單次爆破3 個炮孔，總耗時4 h 左右，極大提高了深孔爆破的作業(yè)效率。炮孔在爆破后，巷道頂板注漿管、炮線以及封孔材料無損傷，頂板未發(fā)現(xiàn)明顯損傷，瓦斯含量沒有明顯增加，說明高效封孔材料應(yīng)用于深孔預(yù)裂爆破取得了很好的封孔效果。

4 結(jié)論

（1）針對深孔預(yù)裂爆破難以封孔的問題，研發(fā)出高效封孔材料，該材料具有固化時間短、早期強(qiáng)度高、泵送能力強(qiáng)等性能。提出了一套完整的深孔注漿封孔施工工藝流程，有效解決了深孔爆破封孔的難題，提高了爆破作業(yè)效率。

（2）在大西煤礦23031 巷道進(jìn)行深孔爆破工業(yè)性試驗(yàn)，并對炮孔參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，極大提高了深孔爆破的作業(yè)效率。