沿空留巷切頂爆破卸壓技術研究與應用

宋虎森,武少鵬

(潞安化工集團 安全管理部,山西 長治 046204)

長壁式采煤工藝廣泛應用于井下采煤工作面,并且獲得了較高的產(chǎn)量和效益。但在前人的礦山開采和理論研究中發(fā)現(xiàn),長壁采煤容易造成基頂破裂、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、地面出現(xiàn)階梯式沉降、來壓動態(tài)載荷顯著等現(xiàn)象。與此同時,長壁采煤通常都會要求留設煤柱,尤其是在工作面走向長度不斷增大的情況下,殘留煤柱的留設同樣會造成巨大的資源浪費[1]。

為解決預留煤柱造成的資源浪費、巷道變形等問題,近幾年,大力發(fā)展沿空留巷的無煤柱開采和切頂卸壓成巷技術,對提高煤層采出率,減輕煤炭經(jīng)濟行業(yè)的下行壓力,促進礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展,具有重要的意義[2]。為此,本文以夏店煤礦3118工作面的切頂卸壓成巷技術實驗作為研究背景,對切頂卸壓技術的原理、工藝流程、問題及改進措施進行了詳細分析和總結(jié),并提出了相應的解決措施。

1 地質(zhì)概況

夏店煤礦3118工作面位于3號煤層31采區(qū),走向可采長度261 m,傾向長度235 m,平均煤厚6.8 m,采高(3±0.2)m,可采儲量587 813.8 t.3118工作面西部為實體煤,北部為31采區(qū)大巷,東部為3116工作面,南部為實體煤。3118工作面底板標高+482～+498 m,埋深416～438 m.3118工作面直接頂為細粒砂巖,厚5.5 m;直接頂上部為中粒砂巖,厚12.2 m;直接底為砂質(zhì)泥巖,厚1.8 m;老底為細粒砂巖,厚12.5 m.

2 切頂爆破卸壓技術

2.1 工作面頂板破斷特征

長壁式工作面開采過程中,在頂板的中心和兩側(cè)的中間,會有兩條斷裂線Ⅰ1,Ⅰ2.圖1為基本頂?shù)摹癘-X”破斷模型。之后頂板的邊緣會形成一條斷裂線Ⅱ,與頂板的Ⅰ1,Ⅰ2斷裂線連接,形成一條“O”型的斷裂線Ⅲ.最終,頂板上的巖層會沿斷裂線分裂,形成“X”型斷裂帶,并最終形成1塊體和2塊體。采場基本頂在碰到掉落的矸石后,運動會慢慢平緩,基本頂在初次破斷后形成類似于橢圓形的平衡拱,從而形成斷裂線。

圖1 基本頂?shù)摹癘-X”破斷模型

在開采活動持續(xù)進行時,頂板破斷過程當中可能會出現(xiàn)周期性的崩塌,從而形成斷裂線Ⅰ2和Ⅱ.這些斷層將形成周期性的頂板垮落,在頂部形成了一個新的結(jié)構(gòu)部分,見圖1中的1和3.

在斷裂過程中,頂板會出現(xiàn)1個弧形三角板,在工作面的后方形成。這個弧形三角板由“O”型破斷引起,由“O”形裂縫、煤壁側(cè)頂板、工作面以及前方頂板共同構(gòu)成。隨著工作面的推進,弧形三角板會在“X”型破斷的影響下演變成結(jié)構(gòu)塊1和結(jié)構(gòu)塊3.圖2為弧形三角板結(jié)構(gòu)示意。

圖2 弧形三角板結(jié)構(gòu)示意

2.2 采空區(qū)殘留邊界特征

在每一個崩塌周期,崩塌厚度都會逐漸增大,且受“支撐效應”作用的影響,在采空區(qū)的固定邊界線之上,會產(chǎn)生不規(guī)則的殘留頂板邊界線,這些殘余的懸掛頂板將在下一次崩塌時產(chǎn)生第二次坍塌。采空區(qū)殘留邊界示意如圖3所示。

圖3 采空區(qū)殘留邊界示意

2.3 切頂卸壓護巷技術

本項目擬采用切頂卸壓護巷技術,在巷道煤幫側(cè)沿巷道整個軸線方向進行預斷,形成1條裂隙,使老頂在該裂隙中隨工作面推進而迅速切下,從而隔斷 A、 B兩個塊體的連通性,為相鄰巷道的圍巖控制提供有利的應力環(huán)境。這種技術產(chǎn)生的效果有兩個:首先,它能促進采空區(qū)頂板沿裂隙迅速垮落,使老頂垮落觸矸提早穩(wěn)固,減小老頂剩余支撐壓力;其次,在一定程度上消除了上、下兩層老頂之間的水平聯(lián)系,減輕了B層“圓弧三角形板片”旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的影響,同時也消除了剩余支撐壓力的影響。這樣,當鄰近的巷道順利進行了切頂卸壓后,煤層中的壓力值顯著下降時,支護難度大幅降低,還可以節(jié)省支護費用。鄰空巷道巷旁切頂卸壓示意見圖4.

圖4 沿空掘巷巷旁切頂卸壓示意

3 爆破切頂技術方案

1) 根據(jù)工作面地質(zhì)條件,3118工作面的直接頂為細粒砂巖,厚5.5 m,直接頂上部為中粒砂巖,厚12.2 m.因此,12.2 m厚的中粒砂巖是本次切頂和卸壓的目標。使用頂部切割和卸壓技術,確定爆破后的鉆孔距離為200 mm.即得出鉆孔傾角α向工作面后方傾斜90°,鉆孔傾角β垂直頂板85°.鉆孔位置S和傾角α示意如圖5所示。

圖5 鉆孔位置S和傾角α示意

2) 因確定沿空留巷頂板預裂切縫高度H0是煤層頂板中粒砂巖的上邊界,確定切縫高度為21.6 m.鉆孔深度H1可通過式(1)計算:

(1)

式中:H0為巷道頂板K2上邊界高度,取21.6 m;α為鉆孔與水平方向的夾角,取90°;β為鉆孔與水平方向的夾角,取85°.經(jīng)計算取整后,預裂切縫鉆孔深度為23 m.

3) 根據(jù)頂板情況,從工作條件、工人的操作習慣和對頂板爆破切頂效果的要求出發(fā),選擇直徑為55 mm的鉆孔,并將鉆孔間距維持在800 mm.為實施卸壓作業(yè),選用適合該作業(yè)的特殊頂板鉆機,配Φ55 mm的鉆頭及Φ42 mm的鉆桿。

4) 根據(jù)上述設計,確定鉆孔設計參數(shù)如表1所示。

表1 鉆孔設計參數(shù)

5) 炸藥選用礦用三級乳化炸藥,長200 mm,質(zhì)量0.2 kg,直徑32 mm.根據(jù)工程經(jīng)驗,不耦合系數(shù)的合理范圍為:1.30

6) 裝藥段長度L1={2H/3}=15 m,封孔段長度L2=H-L1=8 m.

根據(jù)地下工程爆破經(jīng)驗公式,每個孔的裝藥量為:

Q=kHq

(2)

式中:Q為單個孔藥量,kg/孔;H為鉆孔深度,取23 m;k為裝藥系數(shù),取2/3;q為裝藥集中度,取0.7 kg/m.

代入上式得:單個孔裝藥量為10.7 kg.換算成藥卷數(shù)量N=10.7/0.2=54卷(取整)。現(xiàn)場試驗過程中,根據(jù)爆破效果及時調(diào)整裝藥量。

爆炸段內(nèi)鉆孔長度為15 m,使用三級水膠炸藥,并配以毫秒延時的電雷管炸藥,每個孔54卷.鉆孔采用D型聚能管裝藥進料,D型聚能管外徑48 mm,分為6根2 m和1根1 m.自上而下的裝藥結(jié)構(gòu)為“7+7+7+7+7+7+7+5”,每個部分有2個發(fā)電雷管。封孔長8 m,并用注漿方式將孔洞封閉起來。全部裝藥都是正向裝藥,孔內(nèi)電雷管并聯(lián),孔間串聯(lián)。每次起爆使用相同段別的雷管,每次炸孔5～10個。裝藥及封孔示意如圖6所示。

圖6 裝藥及封孔示意

7) 將兩種不同的料加入到攪拌桶中,按照質(zhì)量比為1∶1將水灰攪拌成漿狀物,再將封孔囊袋放入孔內(nèi)。連接管路后,開動氣動泵,開始注入漿液,漿液經(jīng)過三通混合后送入鉆孔。注漿完成后,連接爆破線路,等待30 min凝固后,即可起爆。封孔系統(tǒng)示意如圖7所示。

圖7 封孔系統(tǒng)示意

4 爆破效果檢驗

1) 礦壓分析。3118工作面采用爆破切頂卸壓后,基本頂初次來壓各項參數(shù)比卸壓前明顯減小。具體情況如表2所示。

表2 卸壓前后基本頂來壓情況

分析表2可知,通過對3118工作面進行爆破切頂卸壓后,可使初次來壓步距減少13.9 m,動載系數(shù)下降0.54,頂煤的大面積垮落減少了28 m,初次來壓、初次放煤時間變短,來壓強度減小,防止了大范圍懸頂垮塌的發(fā)生。

2) 爆破鉆孔窺視。為檢驗爆破切縫效果,需對爆破鉆孔進行窺視。通過窺視結(jié)果可以看出,在采用設計方案預裂爆破后,切頂孔內(nèi)可以明顯觀察到聚能爆破后產(chǎn)生的縱向裂紋,越往深部裂縫縫隙越大,出現(xiàn)塌落的巖塊說明切頂爆破成縫效果良好。根據(jù)鉆孔窺探結(jié)果可知,3118工作面采用爆破切頂后,鉆孔的孔壁上有明顯的裂縫,這些裂縫由工作面采動所致,彼此貫通。采空區(qū)內(nèi)的頂煤懸掛在這些貫通的裂隙中,并隨斷層一起垮落,從而提高了煤層的回收率。窺視結(jié)果如圖8所示。

圖8 窺視結(jié)果

3) 切頂效果分析。分段爆破,取測點結(jié)果分析巷道收斂變形,該測點位于407號墻體處,距巷口約100 m,變化規(guī)律如圖9、圖10所示。

圖9 測點頂?shù)装逡平?guī)律

圖10 測點兩幫移近規(guī)律

通過對實驗數(shù)據(jù)的分析可以看出,在切頂過程中,頂?shù)装逦灰坪蛢蓭臀灰品謩e為190 mm和50 mm,切頂后的頂?shù)装逦灰婆c兩幫位移比之前分別降低了71.2%和64.3%.由此可以看出,預裂爆破效果顯著。該爆破方案的合理選擇,不僅解決了采空區(qū)頂板壓力與巷道變形較大的難題,還能有效地節(jié)省煤炭資源。

5 結(jié) 語

1) 針對3118采區(qū)沿空留巷存在的頂板壓力大、礦壓顯現(xiàn)強烈、巷道變形大等問題,通過理論和實驗分析,確定切頂爆破的關鍵參數(shù)。在此過程中對3118運輸巷進行恒阻錨索加強支護和爆破切縫。

2) 通過對炮孔長度、炮孔間距和單孔裝藥量等幾個因素的效果分析,給出了相應的合理區(qū)間。根據(jù)理論分析,得出了合理、有效的爆破參數(shù)。通過對3118工作面進行爆破切頂卸壓后,可使初次來壓步距減少13.9 m,動載系數(shù)下降0.54,頂煤的大面積垮落減少了28 m,使初次來壓、初次放煤時間縮短,來壓強度減小,防止大范圍懸頂垮塌。

3) 通過對鉆孔的考察,發(fā)現(xiàn)在爆破切頂后8 m左右的范圍內(nèi),鉆孔的孔壁上有明顯的裂縫。這些裂縫由工作面采動所致,彼此貫通。采空區(qū)內(nèi)的頂煤懸掛在這些貫通的裂隙中,并隨斷層一起垮落,從而提高了煤層的回收率。