張志波

(大同煤礦集團塔山礦)

?

工作面堅硬頂板爆破放頂技術的應用

張志波

(大同煤礦集團塔山礦)

摘要以某煤礦3111(02)工作面為研究背景，分析該工作面采取強制放頂技術的必要性，爆破放頂?shù)幕驹瓌t，并分別對深孔爆破參數(shù)和淺孔爆破參數(shù)進行了設計，結合該礦工作面實際，確定了爆破放頂方案。采用此方案對該工作面頂板進行強制放頂，取得了顯著的放頂效果，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

關鍵詞強制放頂爆破方案堅硬頂板

某煤礦3111(02)工作面處于3#煤層中，煤層平均厚度約3.7m。該工作面直接頂巖性為灰色泥巖，平均厚度6.1m，具有較強的整體性；基本頂巖性為淺灰色粉砂巖，平均厚度3.7m，具有較強的完整性。該工作面區(qū)段留設煤柱寬度為10m，由于聯(lián)絡巷的存在，區(qū)段分為3個切塊，當完成第一個切塊的開采工作時頂板未垮落，為保證安全開采，采取強制放頂措施，即爆破放頂技術。

1　爆破放頂技術

1.1放頂基本原則

結合直接頂厚度和巖性情況確定爆破方案的設計;改變直接頂頂板的力學結構，在直接頂板采用淺孔爆破開縫槽，縮小垮落步距；實現(xiàn)直接頂板的完全垮落，使得垮落的矸石成為采空區(qū)與工作面的保護屏障，也對上覆巖層起到一定的支撐作用[1-3]。

1.2深孔爆破參數(shù)設計

對工作面頂板進行深孔爆破時，對于未垮落的直接頂，可將其簡化為懸臂梁模型進行相關計算。懸臂梁固定在巖層一段，此處轉矩為[4]：

(1)

式中，q為均布在直接頂上的載荷；L為懸臂梁長度。

此外，懸臂梁在固定端處可承受的轉矩是有一定限度的，最大轉矩為[5]

(2)

式中，W為懸臂梁端部截面模量；h為頂板厚度；σt為模型巖石最大抗拉強度。

由上述分析可知，要使得懸臂梁垮落，必須使得M1大于M1max，即：

(3)

式中，γ為巖石容重。

通過計算可知，第一階段的深孔爆破結束后，還存在一部分直接頂沒有垮落。首先，采用淺眼爆破的方式，在開切眼內(nèi)進行爆破切槽。具體方案設計為：在聯(lián)絡巷布置一排深孔炮眼，爆炸后會產(chǎn)生大量的矸石，這些矸石可充填其下方的采空區(qū)，此外，還應在此開切眼內(nèi)布置淺孔炮眼，形成一個槽，使得直接頂?shù)牧W結構或受力情況得以改變，實現(xiàn)其完全垮落。深孔爆破使得炮眼下方的采空區(qū)完全充填，使直接頂未垮落或不完全垮落的采空區(qū)與工作面分離，即深孔爆破作用下垮落的矸石充當了工作面的保護屏障，大大提高了生產(chǎn)工作面的安全性。

為實現(xiàn)爆破矸石完全充填采空區(qū)，需確定深孔爆破參數(shù)[6-7]。

1.2.1炮眼垂直高度

由地質資料可知，該工作面平均采高(H)3.7m，頂板巖石碎脹系數(shù)(k)為1.3,現(xiàn)假設爆破能實現(xiàn)炮眼下方采空區(qū)完全充填的頂板垮落厚度為H1,確定頂板垮落厚度:

(4)

通過計算，求得H1=12.33m。

1.2.2炮眼直徑

根據(jù)礦用鉆機型號以及鉆頭的大小，設計炮眼直徑為90mm。

1.2.3裝藥選擇及參數(shù)

結合該礦的爆破經(jīng)驗，軟體包裝的礦用水膠炸藥卷在該礦工程施工中取得良好的應用效果，確定水膠炸藥卷作為爆破炸藥。參數(shù)見表1。

表1　裝藥參數(shù)

1.2.4炮眼間距

由于該工作面在各聯(lián)絡巷與支巷的交叉處均布置炮孔，結合該礦工程實踐及相關計算，對數(shù)確定為1，確定炮眼間距為2m。

1.2.5炮眼深度

通過計算，確定頂板垮落高度為10m，孔底與頂板之間的距離為10m，因此，確定炮眼深度為20m，炮眼仰角為30°。

1.2.6炮眼與支巷夾角

不同的巖性，其爆破裂隙半徑不同，通過相關計算，最終求得泥巖中的爆破裂隙半徑為3.1m，粉砂巖中的爆破裂隙半徑為0.8m。由于炮孔的底部處于粉砂巖中，故其爆破裂隙半徑可確定為0.8m，為充分發(fā)揮爆破裂隙的作用，處于同一煤柱內(nèi)的兩炮孔底部距離確定為1.8m，與支巷的夾角確定為21°。

1.3淺孔爆破參數(shù)設計

結合實際及要求，在頂板布置淺爆破孔，在開切眼頂板形成一定的縫槽。為獲得良好的爆破效果，炮孔方向應與開切眼頂板垂直。同時，采用聚能爆破方法，以不耦合的形式將礦用水膠炸藥放入PVC管中，在PVC管兩側設定一定的細縫，實現(xiàn)對爆能的進一步控制[8-9]。

1.3.1炮孔深度

淺孔爆破后，炮孔上方的直接頂厚度變小，炮孔周圍還會形成一定范圍的裂隙，使得泥巖的力學結構得以改變，使直接頂?shù)目迓洳骄噙M一步減小。淺炮孔深度無需過大，一般小于直接頂厚度，設炮孔深度為H2，爆破后的直接頂厚度為H3，爆破后頂板形成一個縫槽時的懸頂距為L1，則此種情況下的懸臂梁轉矩為：

(5)

(6)

式中，b為單位厚度，取值為1。

通過計算,求得炮孔深度H2=2.6m，根據(jù)設計需要，確定炮孔深度為3m。

1.3.2炮眼間距

通過上述計算可知，爆破后泥巖中的爆破裂隙半徑為3.1m，淺孔爆破時采用聚能爆破方法，該爆破方法具有較強的定向性，因此，爆炸后，巖層中形成更大范圍的裂隙。為獲得較好的爆破質量，確定炮眼間距為2m。

1.4爆破方案設計

結合以上研究，在該礦3111(02)工作面進行初次放頂時，首先在開切眼中布置淺孔炮眼，炮眼方向與頂板垂直，炮眼直徑為90mm，炮眼深度為3m，炮眼間距為2m；在聯(lián)絡巷采取深孔炮眼布置。此外，在聯(lián)絡巷與支巷交叉處頂板布置深孔炮眼，炮眼深20m，仰角30°，與支巷夾角21°。

淺孔和深孔爆破采用的引爆工具分別為瞬發(fā)雷管和毫秒延期電雷管。淺孔爆破后，直接頂出現(xiàn)了一個縫槽，直接頂?shù)目迓溟L度減小，在深孔爆破作用下，直接頂可實現(xiàn)完全垮落。隨著工作面的不斷推進，再次對頂板進行爆破時，只需在頂板布置深孔炮眼即可實現(xiàn)其完全垮落。

2　結　語

該礦3111(02)工作面采用淺孔爆破和深孔爆破相結合的方式。采用淺孔爆破，改變了頂板力學結構，大大縮小了初次垮落距，有效解決了懸空頂板面較大的問題，減少了頂板對工作面的沖擊隱患和炸藥的使用量；深孔爆破后，頂板完全垮落，實現(xiàn)了對頂板的強制放頂。

參考文獻

[1]陳蘇社.綜采工作面超深孔爆破強制放頂技術研究[J].煤炭科學技術,2013(1):44-47.

[2]高魁,劉澤功,劉健，等.深孔爆破在深井堅硬復合頂板沿空留巷強制放頂中的應用[J].巖石力學與工程學報,2013(8):1588-1594.

[3]李慧斌,肖偉.綜采工作面堅硬頂板預裂爆破技術的實踐與探討[J].科學技術與工程,2012(34):9313-9315，9324.

[4]譚誠.煤層巨厚堅硬頂板超前深孔爆破強制放頂技術研究[D].淮南：安徽理工大學,2011.

[5]趙文.超前深孔預裂爆破弱化采煤工作面堅硬頂板技術研究[J].煤礦開采,2012(5):88-90.

[6]楊海波.預裂爆破在煤層堅硬頂板放頂煤工作面的應用[J].中州煤炭,2014(9):20-21,29.

[7]孫國強.預裂爆破在煤層堅硬頂板放頂煤工作面的運用探討[J].科技創(chuàng)新與應用,2016(3):121.

[8]陳萬平.綜采工作面堅硬頂板深孔強制爆破放頂?shù)膽肹J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟,2008(4):28-30.

[9]董帥,李煒,張緣.基于切放頂爆破的沿空留巷堅硬頂板控制技術研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟,2015(4):114-115，158.

(收稿日期2016-04-28)

張志波(1984—)，男，助理工程師，037036 山西省大同市礦區(qū)欣河園。