吳兆華，于海湧

(1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013;2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

堅(jiān)硬頂板是指厚度大，強(qiáng)度高，整體性好的煤層頂板巖層，在我國(guó)屬于堅(jiān)硬頂板的煤層約占1/3左右，且分布在50%以上的礦區(qū)。堅(jiān)硬頂板煤層和普通頂板煤層相比在開(kāi)采過(guò)程中礦山壓力顯現(xiàn)更為劇烈，由于采空區(qū)存在大面積懸頂，來(lái)壓時(shí)容易對(duì)工作面造成沖擊且易于形成颶風(fēng)傷人事故和采空區(qū)瓦斯瞬間大量涌出現(xiàn)象，對(duì)井下人員和設(shè)備造成嚴(yán)重威脅。官地煤礦為了減少由于頂板堅(jiān)硬造成的安全隱患，在28412工作面初采期間采用深孔爆破技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)制放頂并取得了顯著效果。

1 工作面條件

官地煤礦28412工作面采用“采9放8”的方式對(duì)8號(hào)、9號(hào)煤進(jìn)行回采，8號(hào)、9號(hào)煤為近水平煤層，工作面走向長(zhǎng)1581～1644m，傾斜長(zhǎng)193～227m。直接頂由8號(hào)煤層上方的石灰?guī)r和泥巖組成，總厚度5.65m;基本頂為8.8m厚的石灰?guī)r，該層位為堅(jiān)硬頂板，不易冒落，工作面頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1所示。根據(jù)以往同一煤層類似工作面的回采經(jīng)驗(yàn)，工作面初次來(lái)壓步距大，來(lái)壓強(qiáng)度高，且采空區(qū)大面積懸頂容易造成來(lái)壓時(shí)颶風(fēng)傷人事故和采空區(qū)瓦斯瞬間涌出現(xiàn)象，影響工作面的安全生產(chǎn)，因此在初采期間須進(jìn)行強(qiáng)制放頂。

2 初采強(qiáng)制放頂方案

2.1 頂板處理高度的確定

合理的頂板處理高度應(yīng)該保證頂板冒落后能完全充填采空區(qū)，28412工作面采高為HC=3.5m，設(shè)頂板崩落厚度為Hx，巖石碎脹系數(shù)為n=1.2，有如下公式成立:

計(jì)算得Hx=17.5m，即需對(duì)頂板進(jìn)行弱化處理的最小高度為17.5m。

2.2 炮孔布置方案

在切眼內(nèi)布置A，B兩組炮孔，炮孔排距為1m，間距為10m且在孔口處呈“三花眼”形，如圖2～圖4所示。A組炮孔平行于切眼后幫，孔口距切眼后幫0.5m，共布置22個(gè)，編號(hào)分別為A1～A22;B組炮孔在支架掩護(hù)梁上方的頂板處開(kāi)孔，炮孔傾斜向前，共布置21個(gè)，編號(hào)分別為B1～B21。

圖1 工作面巖層綜合柱狀

圖2 切眼炮孔孔口位置平面

圖3 A組炮孔布置剖面

圖4 B組炮孔布置剖面

為了確保頂板在回采時(shí)順利垮落，需要在切眼前方的上下端頭巷道向后上方各施工一組炮孔，如圖5～圖6所示，其中C3，C4為基本頂切斷孔，C2，C5為輔助切斷孔，C1，C6為端頭切斷孔。

圖5 C組炮孔布置平面

圖6 C組炮孔布置剖面

2.3 炮孔直徑

深孔爆破容易發(fā)生“管道效應(yīng)”，即當(dāng)炮孔的不耦合徑向間隙在一定范圍時(shí)，炮孔內(nèi)容易產(chǎn)生阻礙藥包爆轟波正常傳播的作用，使藥包爆轟不穩(wěn)甚至發(fā)生爆轟中斷 (或稱爆轟熄滅)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)管道熄爆效應(yīng)明顯的間隙范圍是0.12～3倍的裝藥直徑，尤以0.2倍裝藥直徑的間隙最強(qiáng)烈。管道熄爆效應(yīng)強(qiáng)烈時(shí)的不耦合系數(shù)范圍一般是1.12＜α＜3.82。本次使用的炸藥直徑為75mm，即當(dāng)炮孔直徑為90mm時(shí)管道效應(yīng)最強(qiáng)烈，因此炮孔直徑定為80mm，不耦合系數(shù)為1.06。

2.4 炮孔間距

炮孔間距由炸藥在爆破后形成的裂縫區(qū)半徑?jīng)Q定，合理的炮孔間距為裂縫區(qū)半徑的2倍，根據(jù)28412工作面頂板的力學(xué)參數(shù)和3號(hào)乳化炸藥性能參數(shù)，通過(guò)計(jì)算可知壓碎區(qū)半徑為312mm，裂縫區(qū)半徑為2119mm，因此，切眼爆破時(shí)炮孔間距為4238mm較為合理，由于本次爆破采用雙排炮孔布置，并且考慮到礦山壓力的“二次壓裂”作用，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，A，B組孔口間距定為10m，排距定為1m。

2.5 封孔長(zhǎng)度

柱狀藥包爆破時(shí)，煤巖體抗爆能力隨炮孔深度增加而增加，而炸藥爆煤巖能力與封孔長(zhǎng)度和煤巖體抗爆強(qiáng)度有關(guān)。若封孔長(zhǎng)度過(guò)短，抗爆能力降低，在爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生拋擲漏斗影響爆破效果，特別是將破壞巷道的穩(wěn)定與支護(hù)。如果封孔長(zhǎng)度大于其臨界長(zhǎng)度，使爆煤巖能力小于抗爆能力，爆炸時(shí)封孔段煤巖體不能形成裂縫，同樣影響爆破效果。因此，合理的封孔長(zhǎng)度，既要保證封孔段煤巖體松動(dòng)預(yù)裂，同時(shí)又不能產(chǎn)生拋擲漏斗。根據(jù)以往爆破經(jīng)驗(yàn)，A，B組封孔長(zhǎng)度確定為5m，考慮到C組爆破點(diǎn)在巷道內(nèi)，容易造成巷道損壞事故，C組封孔長(zhǎng)度為8m。

3 初采強(qiáng)制放頂施工工藝

3.1 鉆孔

采用坑道鉆機(jī)，三翼金剛鉆頭打孔，鉆頭直徑80mm，鉆桿直徑為75mm。因炮孔長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為了使爆破達(dá)到預(yù)期的效果，炮孔角度不能偏離太大，施工過(guò)程中，采用坡度儀準(zhǔn)確定位炮孔角度，炮孔允許偏離的角度為±1°。為了盡量將孔內(nèi)煤渣排除，鉆桿鉆到規(guī)定深度時(shí)應(yīng)空轉(zhuǎn)5min。

3.2 裝藥

爆破采用西山工廠生產(chǎn)的煤礦許用3號(hào)乳化炸藥，外徑70mm，每節(jié)長(zhǎng)度500mm，由于其外包裝為塑料軟皮，在裝藥時(shí)容易被炮棍捅破且容易因炸藥擠壓變形而卡孔。為改善這種狀況，天地科技股份有限公司根據(jù)深孔爆破的特殊性質(zhì)，研制了“內(nèi)芯式深孔爆破炸藥殼”專利產(chǎn)品，將炸藥和導(dǎo)爆索裝入炸藥殼內(nèi)，每節(jié)炸藥長(zhǎng)1m，炸藥外徑為75mm，有利于實(shí)現(xiàn)快速安全裝藥，裝藥主要分為以下幾個(gè)步驟:

(1)探孔 裝藥前需先用炮棍探孔，探測(cè)炮孔實(shí)際深度，并用高壓風(fēng)，將孔內(nèi)的粉渣清洗掉。

(2)裝防下滑倒刺 在每節(jié)炸藥端部100mm處做個(gè)穿透小孔，將細(xì)鋼絲插入其中，其作用為防止炸藥裝入孔內(nèi)后下滑。

(3)頭藥制作 取一節(jié)炸藥，將一頭的炸藥蓋子去掉，在蓋子上扎3mm左右的2個(gè)小孔 (以能穿過(guò)母線為準(zhǔn))，將紅、藍(lán)母線分別穿過(guò)每個(gè)小孔，母線留有100mm的線頭并打結(jié)，卡住母線防止掉出小孔，母線頭分別與2個(gè)雷管連接，將雷管放入炸藥內(nèi)，將炸藥蓋子蓋上。

(4)裝藥 利用炮棍將炸藥送入孔內(nèi)，最多一次不超過(guò)3卷，否則推送困難，且很容易卡孔，推送炸藥時(shí)記錄好裝入藥卷個(gè)數(shù)，并留有最后一節(jié)作為起爆藥送入。

3.3 封孔

采用風(fēng)壓封孔器進(jìn)行封孔，封孔材料選用較潮濕的黃土。黃土在使用前為干燥的黃土顆粒體，需要篩選，使顆粒度＜5mm，在井下噴水后由工人手工攪拌至潮濕，潮濕程度以用手能夠捏成團(tuán)為宜。

3.4 爆破

切眼拉槽爆破在支架安裝完畢后，工作面推進(jìn)3～4刀煤開(kāi)始進(jìn)行，而兩巷C組孔在支架安裝完畢后提前進(jìn)行施工爆破，以免裝藥及打孔工作耽誤生產(chǎn)。

聯(lián)線采用“局部并聯(lián)，總體串聯(lián)”的方式進(jìn)行，一個(gè)炮孔內(nèi)雷管的聯(lián)接如圖7所示。放炮使用MFB－100型起爆器，爆破母線必須大于規(guī)定的爆破距離，放炮安全距離不小于200m。切眼拉槽時(shí)1次起爆4個(gè)炮孔。兩巷爆破時(shí)每次起爆1組3個(gè)炮孔。

圖7 一個(gè)炮孔內(nèi)2發(fā)雷管的聯(lián)接方式

4 爆破效果

爆破過(guò)程中未出現(xiàn)“拒爆”、 “殘爆”現(xiàn)象，爆破后隨著工作面的推進(jìn)，頂煤很快垮落:當(dāng)工作面推進(jìn)至7.2m時(shí)，距膠帶巷端頭150～165m處，頂煤垮落;當(dāng)工作面推進(jìn)至12.0m時(shí)，距膠帶巷端頭3～13.5m，22.5～66m，84～150m，165～190.5m范圍處，頂煤垮落;當(dāng)工作面推進(jìn)至14.4m時(shí)，除切眼端頭外，頂煤都已垮落，且采空區(qū)基本充填嚴(yán)實(shí)。

工作面初采期間初次來(lái)壓強(qiáng)度低且未出現(xiàn)颶風(fēng)傷人事故和采空區(qū)瓦斯大量涌出現(xiàn)象，有效地保障了工作面初采期間的安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

(1)強(qiáng)制放頂參數(shù)確定合理，爆破效果顯著，爆破后頂煤很快垮落，未出現(xiàn)采空區(qū)大面積懸頂現(xiàn)象，有效地防止了堅(jiān)硬頂板造成的安全事故的發(fā)生，為類似堅(jiān)硬頂板工作面開(kāi)采提供了可借鑒經(jīng)驗(yàn)，具有極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

(2)“內(nèi)芯式深孔爆破炸藥殼”內(nèi)置導(dǎo)爆索，爆破過(guò)程中未出現(xiàn)“拒爆”、“殘爆”現(xiàn)象，說(shuō)明該炸藥殼不僅有利于實(shí)現(xiàn)快速安全裝藥，而且能夠有效防止“管道效應(yīng)”的發(fā)生。

［1］徐 剛，劉全明.深孔爆破弱化堅(jiān)硬頂板不耦合系數(shù)研究［J］.煤礦開(kāi)采，2009，14(1):20－21.

［2］徐 剛.改善綜放開(kāi)采高韌性頂煤冒放性技術(shù)研究［D］.北京:煤炭科學(xué)研究總院，2004.

［3］徐 剛，賈 昆，于永江.深孔爆破技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25(S):28－30.

［4］徐 剛.用工藝巷深孔爆破改善難冒煤層理論與應(yīng)用［A］.北京開(kāi)采所研究生論文［C］.北京:2005.

［5］李春睿，康立軍，齊慶新，等.深孔爆破數(shù)值模擬及其在煤礦頂板弱化中的應(yīng)用 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(12).

［6］張學(xué)亮，賈光勝，徐 剛.深孔爆破弱化堅(jiān)硬頂板參數(shù)優(yōu)化分析 ［J］.煤礦開(kāi)采，2010，15(1):26－28.

［7］張學(xué)亮，徐 剛，張會(huì)軍，等.深孔爆破弱化堅(jiān)硬頂板影響因素分析及應(yīng)用［J］.中國(guó)礦業(yè)，2010，19(4):58－60.

［8］謝和平，王家臣，陳忠輝，等.堅(jiān)硬厚煤層綜放開(kāi)采爆破破碎頂煤技術(shù)研究 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1999，24(4):350－354.

［9］戴 俊.柱狀裝藥爆破巖石壓碎圈與裂隙圈計(jì)算 ［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2001，20(2).

［10］戴 俊.巖石動(dòng)力學(xué)特性與爆破理論 ［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

［11］周傳波，何曉光，郭廖武，等.巖石深孔爆破技術(shù)新進(jìn)展［M］.武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2004.