鄭 偉

(山西焦煤集團(tuán) 投資有限公司，山西 太原 030021)

·試驗(yàn)研究·

煤礦初次放頂爆破參數(shù)的優(yōu)化

鄭 偉

(山西焦煤集團(tuán) 投資有限公司，山西 太原 030021)

某煤礦應(yīng)用綜放工作面以來，初次放頂先后經(jīng)歷了自然垮落和深孔爆破兩個(gè)階段，雖然采用深孔爆破初次放頂效果有所改善，但是依然存在炮眼布置多、工序復(fù)雜、投入人力物力較多等弊端，且放頂過程風(fēng)路紊亂不好控制。采用SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測量系統(tǒng)對(duì)1306綜放工作面地應(yīng)力進(jìn)行測量，結(jié)合1302綜放工作面深孔爆破經(jīng)驗(yàn)，對(duì)深孔爆破的爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，初次來壓垮落步距比原來減少5～10 m，提高了初采過程頂煤回收率，極大地降低了壓架風(fēng)險(xiǎn)，簡化了爆破工序，節(jié)約了初采成本，風(fēng)路得到很好控制，保障了作業(yè)安全。

初次放頂；水壓致裂法；深孔爆破；爆破參數(shù)

某煤礦2011年進(jìn)行資源整合，改進(jìn)了采煤工藝，從2010年開始應(yīng)用綜放工作面，已開采2個(gè)工作面，初次放頂經(jīng)歷了兩個(gè)階段。

1300綜放工作面為該礦第一個(gè)綜放工作面，采用頂板自然垮落處理初次放頂，在綜放工作面初采過程中，初次來壓步距較長，為30～40 m，基本頂初次來壓時(shí)自然冒落的面積較大，且經(jīng)常出現(xiàn)壓架和瓦斯超限現(xiàn)象，風(fēng)路紊亂不好控制，對(duì)工作面人員、設(shè)備、通風(fēng)設(shè)施的威脅較大，且初采過程中頂煤回收率低。

1302綜放工作面為第二個(gè)綜放工作面，結(jié)合相鄰礦井的經(jīng)驗(yàn)，采用深孔爆破技術(shù)對(duì)初次放頂?shù)幕卷斶M(jìn)行預(yù)裂，放頂效果較第一次改進(jìn)很多，放頂效果較好，但在切眼內(nèi)布置的爆眼較多，打眼、裝藥投入的人力物力較多，工序復(fù)雜，放頂過程中仍然出現(xiàn)瓦斯超限和風(fēng)路紊亂等現(xiàn)象。

1306綜放工作面采用深孔爆破法進(jìn)行初次放頂前，總結(jié)前兩個(gè)階段初次放頂?shù)慕?jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，得出：造成初次放頂初次來壓較大，導(dǎo)致壓架和瓦斯超限等現(xiàn)象的原因是過分依賴相鄰礦井經(jīng)驗(yàn)，沒有對(duì)本礦井圍巖的地應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確測量，缺少準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)做支撐。

水壓致裂法因其具有能測量較深處的絕對(duì)應(yīng)力狀態(tài)、是最直接的測量方法，無需了解和測定巖石的彈性模量、測量應(yīng)力的空間范圍較大，受局部因素的影響較小、不需要套芯工序、井下測量速度快，成功率較高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已得到國內(nèi)外比較廣泛的應(yīng)用。該礦1306綜放工作面采用SYY-56型小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測量裝置對(duì)工作面圍巖地應(yīng)力進(jìn)行測量，裝置采用小直徑鉆孔(56 mm)，可在井下進(jìn)行快速、大面積地應(yīng)力測量。SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測量裝置圖見圖1.

圖1 SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測量裝置圖

1 1306綜放工作面概述

1306綜放工作面為傾斜長壁布置，工作面長151 m，推進(jìn)長度955 m，工作面全部采用三巷布置方式，分別為運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和瓦斯尾巷，主采煤層為3#煤，該工作面位于瓦斯無突出危險(xiǎn)區(qū)，可以正常回采，煤層賦存在上古生界二疊系山西組下部地層中，根據(jù)運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和開切眼掘進(jìn)巷道探煤情況推斷，內(nèi)煤層厚度4.5～6.0 m，煤層厚度穩(wěn)定，平均厚度5.75 m，全煤層中含夾矸1～2層，以亮煤為主，鏡煤次之，多呈塊狀及碎塊狀，本工作面無大的地質(zhì)構(gòu)造，從東至西呈上坡趨勢，整體為單一背斜構(gòu)造。1306綜放工作面巷道布置圖見圖2.

圖2 1306綜放工作面巷道布置圖

2 1306綜放工作面地應(yīng)力測量

2.1 測點(diǎn)布置

針對(duì)本次測試，在該工作面3條巷道中有選擇性地分別布置2個(gè)測點(diǎn)，共6個(gè)測點(diǎn)。運(yùn)輸巷布置2個(gè)測點(diǎn)，編號(hào)1，2；回風(fēng)巷布置2個(gè)測點(diǎn)，編號(hào)3，4；瓦斯尾巷布置2個(gè)測點(diǎn)，編號(hào)5，6. 為了保證測試的準(zhǔn)確性和代表性，在選擇測點(diǎn)的過程中，避開了大的構(gòu)造帶，測點(diǎn)處的頂板相對(duì)完整；測點(diǎn)間根據(jù)施工巷道的長度保持一定的距離。每個(gè)測點(diǎn)布置2個(gè)測孔，鉆孔直徑均為56 mm. 頂孔深度20 m左右，鉛垂布置；煤幫孔深度10 m左右，要求與水平方向有3°～5°夾角，使水能順利流出，避免水的潤濕作用影響煤體強(qiáng)度的測試結(jié)果，壓裂段的深度為215～569 m，頂板鉆孔施工完畢，用水把孔壁沖洗干凈，避免殘留巖屑對(duì)測試段選取的影響。

2.2 地應(yīng)力測量及數(shù)據(jù)分析

利用SYY-56型水壓致裂地應(yīng)力測量儀對(duì)壓裂過程中的壓力和時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，得到每個(gè)測點(diǎn)的水力壓裂曲線，見圖3，4，5，6，7，8.

測點(diǎn)1(巷道高度3.8 m，距孔口12.4 m)地應(yīng)力測試結(jié)果(圖3).

圖3 第一測點(diǎn)水力壓裂曲線圖

測點(diǎn)2(巷道高度3.8 m，距孔口12.5 m)地應(yīng)力測試結(jié)果(圖4).

圖4 第二測點(diǎn)水力壓裂曲線圖

測點(diǎn)3(巷道高度3.8 m，距孔口13.4 m)地應(yīng)力測試結(jié)果(圖5).

圖5 第三測點(diǎn)水力壓裂曲線圖

測點(diǎn)4(巷道高度3.8 m，距孔口12.5 m)地應(yīng)力測試結(jié)果(圖6).

圖6 第四測點(diǎn)水力壓裂曲線圖

測點(diǎn)5(巷道高度3.6 m，距孔口13.9 m)地應(yīng)力測試結(jié)果(圖7).

圖7 第五測點(diǎn)水力壓裂曲線圖

測點(diǎn)6(巷道高度3.9 m，距孔口18.2 m)地應(yīng)力測試結(jié)果(圖8).

圖8 第六測點(diǎn)水力壓裂曲線圖

根據(jù)采集到的曲線通過軟件分析得到應(yīng)力計(jì)算所需要的破裂壓力、重張壓力和瞬時(shí)關(guān)閉壓力，最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力值：

最小水平主應(yīng)力：σh=Ps-γwh

垂直應(yīng)力：σv=γH

最大水平主應(yīng)力：σH=3Ps-Pr-2γwh

式中：

Pr、Ps、P0、Pb—讀數(shù)儀上的重張壓力、封閉壓力、靜水壓力及破裂壓力，MPa；

γw—水的容重，MN/m3；

h—測點(diǎn)到讀數(shù)儀的垂直距離，m；

γ—上覆巖層容重巖石；

H—埋深,m.

帶入相關(guān)參數(shù)，可將各測點(diǎn)應(yīng)力值通過計(jì)算得到，經(jīng)過匯總，見表1.

表1 某煤礦1306工作面地應(yīng)力測量匯總表

由表1可知：

1) 該礦1306綜放工作面地應(yīng)力測試6個(gè)測點(diǎn)中，最大水平主應(yīng)力在10～18 MPa的有4個(gè)測點(diǎn)，占67%，最大水平主應(yīng)力小于10 MPa的測點(diǎn)有 2個(gè)，占33%.

根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)：0～10 MPa為低應(yīng)力區(qū)，10～18 MPa為中等應(yīng)力區(qū)，18～30 MPa為高應(yīng)力區(qū)；大于30 MPa為超高應(yīng)力區(qū)。6個(gè)測點(diǎn)中最大水平主應(yīng)力最大值為11.54 MPa，垂直應(yīng)力最大值為13.78 MPa，最小水平主應(yīng)力最大值為6.55 MPa. 由此判斷本次測試區(qū)域地應(yīng)力場在量值上屬于中等偏低應(yīng)力區(qū)。

2) 6個(gè)測點(diǎn)中最大水平主應(yīng)力大于垂直主應(yīng)力的測點(diǎn)有3個(gè)，占總測點(diǎn)的50%；垂直主應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力的測點(diǎn)有3個(gè)，占總測點(diǎn)的50%，這些測點(diǎn)蓋山厚度均超過了400 m，同該礦的地貌特征具有重大的關(guān)系。因此，本工作面原巖應(yīng)力總體上以水平應(yīng)力為主，構(gòu)造應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢，屬于典型的構(gòu)造應(yīng)力場類型，而深部區(qū)域則主要以垂直應(yīng)力場為主，屬于自重應(yīng)力場。

3) 測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向集中在N14.3°W～N41.8°W，測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向一致性相對(duì)較高，沒有發(fā)生大的偏轉(zhuǎn)。從另一方面也說明了區(qū)域構(gòu)造較為簡單，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹NW方向。

3 巖體可爆性分析

根據(jù)該礦1306綜放工作面地應(yīng)力測量結(jié)果可知：該工作面應(yīng)力場屬于中等偏低應(yīng)力區(qū)，最大垂直應(yīng)力為13.78 MPa，最小垂直應(yīng)力為4.58 MPa，采用電子鉆孔窺視儀對(duì)頂板圍巖進(jìn)行觀測發(fā)現(xiàn)，該工作面頂板上覆巖層主要為厚度5.8 m的泥質(zhì)砂巖、厚度為1.6 m的泥巖、厚度為5.5 m的中粒砂巖、厚度為2.8 m的砂質(zhì)泥巖，巖體整體性良好，微裂隙發(fā)育。查閱相關(guān)資料可知，頂板上覆巖層巖石普氏硬度系數(shù)為6～10，屬中硬巖，巖石可爆性見表2.

表2 巖石可爆性分析表

4 深孔爆破方案優(yōu)化

4.1 1302綜放工作面炮眼布置

預(yù)裂爆破孔為200個(gè)，切眼爆破長度為1 400 m，炮眼中心線距切眼上幫1.5 m；爆破孔深度為7 m；炮眼封口采用黃泥封口。切眼初次放頂深孔爆破炮眼布置見圖9.

4.2 1306綜放工作面炮眼布置優(yōu)化方案

采用水壓致裂法對(duì)1306綜采工作面地應(yīng)力測量結(jié)果分析可知，該工作面應(yīng)力場屬于中等偏低應(yīng)力區(qū)，最大垂直應(yīng)力為13.78 MPa，最小垂直應(yīng)力為4.58 MPa，且頂板上覆圍巖屬于中硬巖，結(jié)合1302綜放工作面的初放經(jīng)驗(yàn)，對(duì)1306綜采面深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行了改進(jìn)：1) 改變預(yù)裂爆破孔深度，以采用深孔爆破為主，淺孔爆破為輔，由原來統(tǒng)一孔深7 m改變?yōu)?8個(gè)孔深16 m和16個(gè)孔深8 m. 2) 切眼爆破長度由原來的1 400 m減少為576 m，將預(yù)裂爆破孔由原來的200個(gè)孔減少為44個(gè)孔，其中孔長16 m的28個(gè)，成孔與水平方向仰角30°，垂深全部為8 m. 孔深8 m的16個(gè)，成孔與水平方向仰角75°，并將炮眼中心線由距切眼上幫側(cè)1.5 m改進(jìn)為2.5 m. 3) 改進(jìn)封口方式，將原來炮眼封口采用黃泥封孔，改進(jìn)為圓臺(tái)倒楔形木塞，提高了炮泥的密封效果，增強(qiáng)了爆破效果。4) 減少放炮次數(shù)，由于炮眼數(shù)量和裝藥量大大減少，保證了爆破安全性，由原來10次放炮減少為4次放炮。

圖9 1306切眼初次放頂深孔爆破炮眼布置圖

5 結(jié) 論

1) 1306綜放工作面實(shí)施深孔預(yù)裂爆破后，支架后部空間被冒落的煤和矸石全部充填密實(shí)。工作面架后頂板自然形成一個(gè)長140 m左右、深6～7 m的溝槽，實(shí)現(xiàn)了頂板預(yù)裂的目的。

2) 初次來壓垮落步距比原來減少5～10 m，達(dá)到20～25 m，頂板初次來壓逐漸從工作面后部向前部顯現(xiàn)，整個(gè)過程中未出現(xiàn)切頂、壓架和颶風(fēng)現(xiàn)象，同時(shí)提高了頂煤的回收率。

3) 由于深孔在綜放設(shè)備安裝前已打好，同時(shí)整個(gè)炮眼長度減少了近2/3，減少了人力和物力。炸藥和雷管等爆破物資也節(jié)約了近1/3.

4) 放炮次數(shù)減少，孔眼較深，提高了放頂效果，保障了作業(yè)安全。

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Optimization of Initial Caving Blasting Parameters in Coal Mine

ZHENG Wei

In the case of fully mechanized top coal caving face in a coal mine, the initial caving method has experienced two stages: natural caving method and deep hole blasting. Although the effect of initial caving has been improved by deep hole blasting, there are still many cases of defects, such as too much blasting spot, complex in process, more human and material cost, more worse, the air flow in airway seems hard to be controlled with in some cases disordered. The SYY-56 hydraulic fracturing stress measurement system is introduced to the No.1306 fully mechanized top coal caving face for detail measurement, combined with the experience of deep hole blasting in No.1302 fully mechanized coal caving face, the blasting parameters of deep hole blasting were optimized. The space of main falls for first rock weighting shortened 5-10m during which top coal recovery rate improved, the risk of support crushing by pressure drastically reduced, the blasting process simplified, costs lowered, and the air flow is well controlled, the safety guaranteed.

Initial caving; Hydraulic fracturing; Deep hole blasting; Blasting parameters

2016-12-29

鄭 偉(1988—)，男，山西五臺(tái)人，2010年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事采掘技術(shù)管理工作

(E-mail)527317991@qq.com

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1672-0652(2017)01-0038-04