基于囊袋封孔技術的鉆孔間距優化研究

＊王超 殷志強

（安徽理工大學礦業工程學院 安徽 232001）

1.引言

近年來，基于“切頂短壁梁理論”的切頂成巷技術開始在國內多個礦區得到應用和推廣。該技術利用定向聚能爆破，沿回采巷道采空區一側定向預裂頂板，回采后，在采動壓力的作用下，沿預裂裂隙自動切割形成巷幫，實現“成巷”。當頂板被切割后，長壁巖石梁就會成為一根短臂的巖石梁，頂板巖層的應力傳遞鏈被切斷，頂板周期來壓強度將大幅減弱。頂板巖層垮落后形成巷幫，隔斷采空區，自動形成一條巷道并將用于下一工作面開采，最終實現一個回采工作面僅需掘進一條巷道。新巷道位于卸壓區，避免了高應力作用區的影響，消除了井下動力災害孕育的動力源。

合理的爆破裝置和參數選擇對頂板能否破碎起著決定性作用，大量學者在這方面進行了前人的試驗研究。馮遠照[1]針對煤層瓦斯治理工作對于佛洼8309工作面鉆孔進行優化設計，得出“三花眼”布孔方式最優；楊仁樹[2-3]研究了切縫藥包結構參數對定向斷裂爆破的作用，試驗了不同炮孔直徑、裝藥耦合系數以及不同介質下裂紋擴展規律，分析出裂縫的擴展以及動態應力強度因子與時間的關系，裂縫擴展規律與切縫藥包結構的關系，從而確定最佳切縫藥包結構；沈浩[4]改進了囊袋式“兩堵一注”帶壓封孔工藝中的封孔材料，提出更換工藝材料的方法節約91%的成本。

通過現場不斷應用與技術攻關，切頂卸壓沿空留巷技術已經在全國一些礦區進行了推廣應用，但同時該技術仍然存在很多問題需要解決，本文以定向聚能爆切頂留巷區域為研究對象，采用理論分析，現場試驗相結合的方法，探索最佳的封孔囊袋，系統研究了不同孔間距對裂隙分布的影響規律，確定最優孔間距。

2.囊袋封孔技術

為實現快速高效封孔，擬選用濾積式封孔囊袋。囊袋的材料為高彈滌綸雙面布，濾袋僅能通過水，向鉆孔內注漿時，多余的水分可以從囊袋中流出，而水泥漿液則留在囊袋中，從而實現水、氣體與漿料的分離，囊袋與鉆孔壁面緊密接觸，高濃度的水泥漿液在孔內凝固的同時，實現了鉆孔的封堵。

常見的囊袋規格較多，主要有單囊、雙囊兩種結構，對應著一堵一注或多注、兩堵一注的封孔工藝。為確定合適的封孔工藝，采用三種囊袋進行實驗，分別為長度為1.5m單囊、0.7m單囊、0.6m雙囊，如圖1所示。

圖1 同類型囊袋封孔結構示意圖

為了尋找快速高效的封孔方法，對不同結構囊袋、不同的試驗材料及不同的凝結時間進行井下試驗，具體試驗結果如表1所示。實驗目的是對“囊袋一堵”“兩堵一注”“一堵一注”三種工藝進行對比分析，得到最佳的封孔工藝或方法。

表1 井下封孔試驗結果匯總表

測試囊袋為1.5m單囊、0.7m單囊、0.6m雙囊，注漿時材料的水灰比為1:1，通過壓力表示數嚴格控制注漿壓力為2MPa，試驗時材料凝固時間均為1h，最終試驗結果除了1.5m單囊未沖孔，0.6m雙囊袋、0.7m單囊袋試驗均發生沖孔。

實驗結果表明，1.5m單囊袋較為穩定，利用囊袋進行一堵的封孔工藝就可以滿足爆破孔的封孔需要，因此，建議11503W工作面切頂爆破作業采用“囊袋一堵”的封孔工藝。

3.切頂爆破孔參數優化實驗

(1)工程背景

翟鎮煤礦11503W工作面井下標高為-405.2～-458.8m，地面標高+169.74～+188.66m，走向長度約為944m，傾向長度120m。11503W工作面地層走向77°～107°，傾向167°～197°，傾角8°～16°，平均12°。工作面整體為一單斜構造，地層整體呈現西南高東北低形態。

聚能定向爆破切縫是切頂成巷技術的核心，主要包括裝藥結構、孔間距、封孔等方面。目前礦井采用的爆破孔孔深為10.0m，鉆孔直徑為55mm，炮眼間距為0.5m±0.1m，炮眼角度為水平線向上（工作面煤壁側）偏移75°～90°，聚能管裝藥密度為1.5kg/孔，每根聚能管長度不大于1.5m，采用1.5m囊袋進行封孔。裝藥結構為2+1+2+1+1+2，裝藥結構如圖2所示。采用6節1.2m長、外徑42mm、內徑36.5mm的聚能管。炮眼頂部聚能管、中部第三個聚能管以及底端聚能管，每根聚能裝填2塊炸藥帶雷管，其余聚能管采用1塊炸藥帶雷管，相鄰炸藥之間留有0.8m長空氣柱，聚能管端部使用充填海綿或其他阻燃材料進行封堵，防止炸藥滑托。

圖2 聚能爆破裝藥量及裝藥結構示意圖

(2)不同爆破鉆孔間距布置優化

孔間距為0.5m時，孔間距為0.5m的爆破實驗采用3個鉆孔，孔間距為0.5m，具體位置如圖3所示。其中1#、3#為爆破孔，采用囊袋封孔工藝，2#為預留觀測孔，孔徑均為Φ55mm。

圖3 孔間距為0.5m爆破實驗鉆孔布置圖

爆破后，爆破鉆孔均未沖孔，封孔效果良好。對2#觀測孔進行探測，獲得孔內爆生裂隙形態，如圖4所示。從3.1m處開始一直到孔底位置8.2m處，全程孔洞內部出現非常明顯的爆生裂隙。鉆孔軸向切開的形態明顯。可見，對于0.5m間距的爆破孔而言，爆破時能夠切縫的距離達到0.6m，能量過剩，考慮到經濟性問題，增大孔間距進行實驗。

圖4 孔間距0.5m爆破實驗2#鉆孔原始裂隙形態圖

孔間距為1m的第一次爆破實驗采用2個爆破孔，具體位置如圖5所示。其中1#和3#為爆破孔，均采用囊袋封孔工藝，2#為預留觀測孔，所有鉆孔孔徑均為Φ55mm。

圖5 孔間距為1.0m爆破實驗鉆孔布置圖

在爆破后對2#觀測孔的孔內裂隙形態進行了探測，如圖6所示。當探頭剛進入鉆孔時，濃厚的炮煙遮擋了鏡頭，導致裂隙形態難以辨認，可見，爆破鉆孔與2#觀測孔已經連同，爆破孔內的炮眼沿兩孔之間的爆生裂隙進入觀測孔內。攝像頭繼續向孔內觀測，發現3.4m開始到孔底均能夠清晰可見的爆生裂隙，縱向裂紋，且巖石的破碎較嚴重。這就表明，爆破孔附近0.5m處的鉆孔內已經形成了定向，爆生裂隙的總長度約為7m。

圖6 孔間距1.0m爆破實驗2#鉆孔原始裂隙形態圖

孔間距1.1m的爆破實驗采用3個鉆孔，具體位置如圖7所示。其中1#和3#為爆破孔，采用囊袋封孔工藝，2#為預留觀測孔，孔徑均為Φ55mm。

圖7 孔間距為1.1m爆破實驗鉆孔布置圖

爆破后，孔前部出現細微裂紋，裂隙出現在孔口5.6m內及孔底1m的位置內，裂隙長度在4m左右，如圖8所示。相比于1m孔間距而言，雖然此時的頂板也被切開，但是效果沒有1m孔間距時好。

通過實驗發現不同孔間距爆破后切縫長度如表2所示，不同孔距爆破后，孔距為1m時，裂隙最清晰，爆破效果最好，橫向切縫長度足以連通兩個爆破空且經濟性最佳，因此選擇1m的孔距進行爆破是最優選擇。

表2 不同孔間距爆破實驗結果

4.結論

（1）1.5m單囊袋在封孔材料灌注1h后最為穩定，在多次實驗中并未發生沖孔現象，而0.7m單囊袋和0.6m雙囊袋都發生過沖孔現象。

（2）孔間距為0.5m時孔內發現大量縱向裂紋，大部分區域破壞嚴重，經濟性欠佳；孔間距為1m時孔內出現了明顯的爆生裂隙，總長度約7m，孔底區域出現了巖石破碎的現象；孔間距為1.1m時孔前部出現網狀裂紋，裂隙出現在距孔口5.6m內及孔底1m的位置。