王志武

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 四老溝礦，山西 大同 037000)

1 工程概況

同煤集團(tuán)煤峪口礦81020工作面位于井下410盤(pán)區(qū)南部，工作面北部為81018工作面采空區(qū)、南接81022工作面(現(xiàn)掘進(jìn))、西接11號(hào)、12號(hào)層410盤(pán)區(qū)軌道巷、東隔礦界與忻州窯礦相鄰；工作面開(kāi)采11號(hào)、12號(hào)煤層，煤層厚度為7.4～8.9 m，平均厚度為8.1 m，平均傾角為2°，煤層硬度f(wàn)為2.6，煤層頂?shù)装鍘r層特征如圖1所示。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r層柱狀

81020工作面長(zhǎng)度為155.6 m，可回采長(zhǎng)度為410 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤方法，機(jī)采高度為2.9 m，放煤高度為5.2 m，循環(huán)進(jìn)度為0.5 m，放煤采用一刀一放、單輪間隔順序放煤法。81020工作面采用四巷布置，兩回采巷均沿著11號(hào)、12號(hào)層底板掘進(jìn)，工藝巷及頂回風(fēng)巷沿11號(hào)、12號(hào)層頂板掘進(jìn)，具體工作面平面位置如圖2所示。由于煤層較為堅(jiān)硬，頂板屬于堅(jiān)硬頂板，現(xiàn)為提高頂煤的回收率，擬采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)頂煤進(jìn)行弱化，特進(jìn)行頂煤爆破弱化技術(shù)的研究與分析。

圖2 工作面布置平面示意

2 頂煤爆破弱化機(jī)理分析

針對(duì)堅(jiān)硬煤層綜放工作面，放煤作業(yè)時(shí)頂煤由于硬度較大，易出現(xiàn)頂煤難以垮落，回收率較低的現(xiàn)象。為破壞頂煤完整性、提升頂煤回收率，采用爆破技術(shù)對(duì)頂煤進(jìn)行弱化，炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的爆炸沖擊波和爆生氣體會(huì)聯(lián)合作用在煤體中，根據(jù)相關(guān)理論研究可知[1-3]，當(dāng)炸藥在無(wú)限大且均質(zhì)的煤體中爆破時(shí)，此時(shí)煤體中部將會(huì)形成以炸藥為中心由遠(yuǎn)至近的破壞區(qū)域，根據(jù)各個(gè)區(qū)域破壞程度的不同可劃分為粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性區(qū)，具體爆破后分區(qū)如圖3所示。

圖3 煤巖體在爆炸荷載下分區(qū)

粉碎區(qū)主要是爆炸沖擊波在炮孔附近煤體作用下粉碎產(chǎn)生的區(qū)域，粉碎區(qū)的半徑較小，其一般為藥包直徑的數(shù)倍。裂隙區(qū)主要是爆炸應(yīng)力波壓縮周邊煤體，周邊煤體在應(yīng)力波作用下產(chǎn)生徑向裂隙拉伸形成的區(qū)域，該區(qū)域范圍一般為藥包直徑的十幾倍。裂隙區(qū)以外的煤體，其在應(yīng)力波狀態(tài)和爆生氣體的共同作用下形成的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)，不足以使得該區(qū)域的煤體產(chǎn)生破壞，煤體在應(yīng)力作用下只能以煤體質(zhì)點(diǎn)彈性振動(dòng)的方式向外傳播，該區(qū)域可稱(chēng)為彈性振動(dòng)區(qū)。

頂煤在進(jìn)行深孔爆破時(shí)，爆破作用會(huì)有效弱化頂煤，當(dāng)爆炸柱狀藥包起爆后，煤巖體在爆炸應(yīng)力波及爆生氣體膨脹應(yīng)力聯(lián)合作用下，煤體會(huì)發(fā)生首次損傷破壞現(xiàn)象，當(dāng)爆生氣體傳播至煤巖體后，其會(huì)在裂縫邊界產(chǎn)生一定的壓力加載，該壓力加載會(huì)進(jìn)一步引起煤巖體的二次損傷破壞。頂煤在一次損傷破壞階段重點(diǎn)在于造新縫，此時(shí)頂煤爆破弱化沒(méi)有自由面，因此在該階段產(chǎn)生的裂縫及損傷帶主要由應(yīng)力波直接加載導(dǎo)致；煤體在二次損傷階段，在該階段煤體內(nèi)裂隙不斷擴(kuò)展，當(dāng)爆生氣體楔入新生裂縫后，其會(huì)對(duì)裂縫兩側(cè)施加較高的壓力，其能夠?qū)е铝严独^續(xù)向前擴(kuò)展，具體頂煤爆弱化如圖4所示。

圖4 頂煤爆破弱化示意

3 爆破方案及效果

3.1 爆破方案

3.1.1 頂煤松動(dòng)預(yù)裂爆破范圍

81020工作面采用在工藝巷遠(yuǎn)離工作面煤壁打眼爆破松動(dòng)法，超前工作面煤壁20 m以外預(yù)爆破，對(duì)頂煤起到預(yù)裂和破碎作用，待開(kāi)采時(shí)又能利用采動(dòng)引起的超前支撐壓力二次破碎頂煤。

3.1.2 預(yù)裂爆破炮孔布置

因該工作面頂煤比較厚，在工藝巷分別垂直于巷道兩幫按單排眼布置，孔間距為1.0 m，炮孔距巷道頂板1.2 m，施工范圍通尺至停采線(xiàn)20 m。裝藥孔的長(zhǎng)度確定：從工藝巷向兩頭打鉆，頂回風(fēng)巷留10 m煤柱，膠帶巷留10 m煤柱。裝藥孔的封孔長(zhǎng)度10 m。煤體預(yù)爆破孔的布置方式及主要技術(shù)特征：①施工鉆具為KHYD75dIA-3KW礦用隔爆電動(dòng)巖石鉆，孔徑63 mm；②根據(jù)煤層厚度，炮孔布置為在工藝巷分別垂直于巷道兩幫按單排眼布置，孔水平間距為1.0 m，孔距巷道底板1.2 m，施工范圍通尺至距停采線(xiàn)20 m；③煤體預(yù)爆破孔施工必須超前工作面煤壁20 m以上；④依據(jù)410盤(pán)區(qū)已采面的經(jīng)驗(yàn)確定煤體爆破孔的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤體爆破孔參數(shù)

具體81020綜放工作面頂煤深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置形式如圖5所示。

圖5 頂煤弱化爆破鉆孔布置示意

3.1.3 裝藥、聯(lián)炮、封孔、爆破

1) 裝藥：采用正向裝藥結(jié)構(gòu)，使用Ⅲ級(jí)煤礦許用粉狀乳化炸藥，規(guī)格為D50 mm×500 mm，重量為1 kg。

2) 聯(lián)炮：每孔使用單個(gè)瞬發(fā)雷管，孔與孔之間用串聯(lián)方式聯(lián)接。

3) 封孔：導(dǎo)爆索導(dǎo)爆，封泥使用水炮泥及粘土，封泥分兩次進(jìn)行，第一次先封至距孔口0.8 m處，第二次封土?xí)r先將雷管與導(dǎo)爆索捆好，塞入該空段內(nèi)，再封泥，直到封滿(mǎn)搗實(shí)，將外露雷管腳線(xiàn)短路。具體爆破鉆孔正向裝藥結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 爆破鉆孔正向裝藥結(jié)構(gòu)示意

3.1.4 爆破施工

1) 爆破超前工作面水平距離不得小于20 m。在開(kāi)采初期，第一次實(shí)施煤體預(yù)爆破的放炮時(shí)間為開(kāi)切眼初次放頂之后進(jìn)行。

2) 根據(jù)眾多研究結(jié)論和爆破工程經(jīng)驗(yàn)[4-6]，確定一條巷道一次起爆個(gè)數(shù)為8個(gè)孔，當(dāng)放炮位置距工藝巷口350 m時(shí)，改為一次起爆4個(gè)孔。

3.2 效果分析

為有效分析81020綜放工作面頂煤采用爆破技術(shù)后的弱化效果，采用地震CT的方式分別對(duì)爆破弱化前后頂煤的致密性和完整程度進(jìn)行探測(cè)分析，根據(jù)探測(cè)結(jié)果分別得出工作面頂煤在采用爆破弱化前后地震CT波形數(shù)據(jù)和頻譜數(shù)據(jù)圖如圖7所示。

圖7 頂煤爆破前后地震CT波形和頻譜數(shù)據(jù)

分析圖7(a)和7(b)可知，頂煤爆破前，波形在同相軸上的連續(xù)性好，且地震波信號(hào)的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)到350 ms，這即表明探測(cè)區(qū)域頂煤致密完整，地震波信號(hào)的衰弱速度較慢；從頻譜上分析能夠看出，頂煤未采取爆破弱化技術(shù)時(shí)，此時(shí)震波信號(hào)的主頻高且呈現(xiàn)出一致的狀態(tài)，平均約160 Hz，這能夠進(jìn)一步說(shuō)明探測(cè)區(qū)域煤體的完整致密性。

分析圖7(c)和7(d)可知，頂煤爆破后，地震波在頂煤同相軸的連續(xù)性出現(xiàn)較大幅度的降低，震波信號(hào)在頂煤中的持續(xù)時(shí)間也出現(xiàn)一定程度的下降，從頻譜分析可知，震波信號(hào)的主頻與深孔爆破前相比較為分散，爆破后主頻主要在100～180 Hz之間，綜合上述分析可知，煤體在經(jīng)過(guò)深孔爆破后，測(cè)區(qū)范圍內(nèi)頂煤的完整性被破壞，煤體強(qiáng)度降低，爆破對(duì)頂煤產(chǎn)生了有效的弱化。

另外在81020工作面回采期間，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、收集分析的方式對(duì)爆破前后的頂煤回收率進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果可知，頂煤未采用弱化報(bào)破技術(shù)前，其頂煤回收率僅能夠達(dá)到61%，當(dāng)頂煤采用弱化爆破技術(shù)后，頂煤回收率能夠達(dá)到89%，頂煤回收率大幅提升。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)81020綜放工作面的地質(zhì)條件，通過(guò)理論分析頂煤爆破弱化機(jī)理，結(jié)合工作面具體參數(shù)進(jìn)行頂煤深孔爆破弱化技術(shù)方案的設(shè)計(jì)，確定預(yù)裂爆破范圍、炮孔布置、裝藥結(jié)構(gòu)等參數(shù)，根據(jù)工作面頂煤爆破前后地震CT和頂煤回收率的對(duì)比分析可知，深孔爆破能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)頂煤的弱化作用。