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雁崖礦8305工作面切巷堅(jiān)硬頂板密集鉆孔聯(lián)合深孔爆破預(yù)裂技術(shù)

2021-09-03 07:10朱曉慶
同煤科技 2021年4期
關(guān)鍵詞:炮孔密集采空區(qū)

朱曉慶

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)大同有限公司 山西大同037003)

堅(jiān)硬頂板是指硬度高、厚度大、完整性好、裂隙不發(fā)育或發(fā)育程度較小的巖層[1]。煤礦開采中堅(jiān)硬頂板滯后垮落,導(dǎo)致采空區(qū)懸板面積大,加劇了工作面煤體的承載強(qiáng)度,大面積懸板的突然斷裂對(duì)工作面裝備甚至人員生命安全存在更大威脅[2]。因此,堅(jiān)硬頂板綜采面回采過程中十分重視頂板的治理工作。目前,常用的頂板預(yù)裂方法有水力壓裂、深孔爆破等[3-4]。水力壓裂借助靜態(tài)高壓水的壓裂和水楔劈裂作用,以及高壓動(dòng)力水源的持續(xù)供給,可以取得較長的裂縫擴(kuò)展效果;鉆眼爆破利用炸藥爆炸瞬間的沖擊強(qiáng)動(dòng)載及后續(xù)的爆生氣體膨脹做功,實(shí)現(xiàn)孔壁圍巖的體積壓裂,空間造縫能力強(qiáng),裂縫擴(kuò)展不受地應(yīng)力影響[5]。

雁崖煤礦8305工作面切巷內(nèi)提前穩(wěn)裝了液壓支架,支架后部致裂作業(yè)空間有限。采用水力壓裂方法,一則大型裝備深入不了支架尾部空間,長距離高壓管線沿程損耗大,且存在一定安全風(fēng)險(xiǎn);二則切巷頂板致裂以取得平面裂縫效果最佳,單靠孔內(nèi)的靜態(tài)高壓水壓裂難以取得定向切縫效果,配以相應(yīng)的軸向切槽工藝,又增加了工序操作繁雜程度。為此,結(jié)合工作面煤層生產(chǎn)技術(shù)條件,充分發(fā)揮現(xiàn)有裝備優(yōu)勢,設(shè)計(jì)了密集鉆孔聯(lián)合深孔爆破的切巷頂板預(yù)裂方案,實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)硬厚層頂板的平面定向預(yù)裂,取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司雁崖煤礦8305工作面是2#煤層三盤區(qū)的首采面。東北鄰近盤區(qū)邊界,東南鄰近8306工作面,西南以三盤區(qū)大巷為界,西北至二盤區(qū)與四盤區(qū)共同盤區(qū)邊界。采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤工藝,直接垮落法管理采空區(qū)頂板。蓋山厚度在462 m~518 m,平均490 m,煤層平均厚度3.3 m,平均傾角2°,結(jié)構(gòu)簡單,可采走向長度1 400 m,工作面傾向長度300 m。煤層頂?shù)装逡陨百|(zhì)巖性賦存為主,巖性堅(jiān)硬,結(jié)構(gòu)相對(duì)完整。工作面頂?shù)装逯鶢顖D,如圖1所示。

8305工作面基本頂平均厚度6.3 m,為防止工作面回采過程中厚硬頂板滯后斷裂對(duì)采場礦壓造成較大的影響,工作面初始采動(dòng)前需要對(duì)切巷頂板進(jìn)行預(yù)裂處理。

2 密集鉆孔聯(lián)合深孔爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 密集鉆孔參數(shù)確定

(1)鉆孔直徑主要取決于當(dāng)前的打鉆裝備。設(shè)計(jì)初衷是為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有打鉆裝備的最大化利用,少增加頂板預(yù)裂成本。結(jié)合工作面架后作業(yè)空間有限條件,只能采取一般的錨桿鉆機(jī)進(jìn)行密集鉆孔,鉆孔直徑為42 mm。

(2)鉆孔深度取決于頂板預(yù)裂高度。根據(jù)采空區(qū)冒落矸石充填采空區(qū)原理,確定工作面切頂高度為煤層采厚/巖石碎脹系數(shù),采空區(qū)矸石碎脹系數(shù)取值0.3,據(jù)此得到鉆孔深度為11 m。

(3)孔間距需根據(jù)鉆孔周邊應(yīng)力分布進(jìn)行確定。由彈性理論可知,圓孔周邊3~5倍半徑范圍為應(yīng)力強(qiáng)擾動(dòng)區(qū)[6]??讖?2 mm的鉆孔周邊應(yīng)力擾動(dòng)范圍在60 mm~100 mm,據(jù)此將相鄰密集鉆孔間距設(shè)置為200 mm。

(4)工作面切巷內(nèi)架后作業(yè)空間有限,鉆機(jī)允許擺動(dòng)角度小,實(shí)際作業(yè)過程中鉆機(jī)施工角度設(shè)置為90°,垂直頂板進(jìn)行鉆孔。

2.2 深孔爆破參數(shù)確定

深孔爆破參數(shù)主要包括:炮孔直徑,炮孔深度,炮孔角度,炮孔間距,單孔裝藥量。

(1)炮孔直徑:三級(jí)煤礦許用水膠炸藥卷直徑為35 mm,配合直徑48 mm的安裝管輔助裝藥,加上管外定位塊的富余空間,設(shè)計(jì)炮孔直徑為65 mm,此時(shí)不耦合裝藥系數(shù)為1.3。

(2)炮孔深度、角度:與密集鉆孔深度、角度設(shè)計(jì)原理類似,主要取決于頂板預(yù)裂的高度和鉆孔現(xiàn)場施工條件,將炮孔深度設(shè)置為11 m,炮孔角度為90°,垂直頂板鉆設(shè)。

(3)炮孔間距:根據(jù)煤礦現(xiàn)場爆破經(jīng)驗(yàn),炮孔間距一般為炮孔直徑的7~12倍。據(jù)此設(shè)計(jì)的炮孔間距不會(huì)超過1.0 m。但是,該結(jié)論是以相鄰炮孔裂縫貫穿為前提的。這里采取的深孔爆破是密集鉆孔的輔助工藝,以爆破震動(dòng)弱化為主??紤]密集鉆孔的導(dǎo)向作用,以及盡量減少大孔徑鉆孔打鉆工程量,參考應(yīng)力波的擾動(dòng)范圍,綜合確定實(shí)驗(yàn)炮孔間距為6 m。

(4)單孔裝藥量:致裂目標(biāo)層為工作面基本頂巖層,平均厚度6.3 m。深孔爆破條件下,裝藥深度越大,鉆孔夾持作用越強(qiáng),致裂效果越不顯著。鑒于含礫砂巖頂板相對(duì)完整,基本頂厚度范圍內(nèi)采用軸向耦合裝藥方式,裝藥長度設(shè)計(jì)為6 m。直徑35mm的三級(jí)煤礦許用水膠炸藥延米質(zhì)量為1 kg。因此,單孔裝藥量確定為6 kg。爆破參數(shù),見表1。

表1 切巷深孔爆破參數(shù)

3 切巷頂板致裂效果

3.1 孔內(nèi)窺視觀察

采用鉆孔窺視儀對(duì)密集鉆孔的變形破壞及裂隙發(fā)育情況進(jìn)行觀察。切巷炮孔爆破后,密集鉆孔窺視方案及窺視結(jié)果,如圖2所示。

圖2 密集鉆孔窺視方案及結(jié)果

根據(jù)窺視得到的密集鉆孔變形破壞情況,在密集鉆孔的導(dǎo)向作用下,單個(gè)爆破孔的強(qiáng)動(dòng)載擾動(dòng)范圍在1.6 m~2.2 m,相鄰炮孔的擾動(dòng)范圍合計(jì)3.2 m~4.4 m,炮孔間距6 m。在后續(xù)頂板壓力作用下,受兩側(cè)炮孔的擾動(dòng)及密集鉆孔間的導(dǎo)向影響,剩余1.6 m~2.8 m的頂板鉆孔連線區(qū)間容易平面貫穿。

3.2 切巷頂板垮落狀態(tài)

切巷頂板的垮落狀態(tài)是堅(jiān)硬頂板預(yù)裂效果的最直觀反映。工作面自切巷位置推進(jìn)8 m~10 m時(shí),已見采空區(qū)中部位置煤層頂板的順利垮落;當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m位置時(shí),采空區(qū)頂板趨于完全垮落狀態(tài),輔以相應(yīng)的巷道頂板爆破切頂,工作面端頭頂板也順利垮落,消除了堅(jiān)硬頂板工作面端頭懸板現(xiàn)象。采空區(qū)垮落矸石在架后充實(shí)采空區(qū)空間,解決了堅(jiān)硬頂板采空區(qū)大面積懸板及其誘發(fā)的采場劇烈礦壓顯現(xiàn)難題。工程實(shí)踐中采集的工作面架后頂板垮落前后狀態(tài),如圖3所示。

圖3 采空區(qū)頂板垮落前后情況

4 結(jié)論

(1)針對(duì)切眼內(nèi)頂板架后控制及沿空留巷的不同切頂卸壓條件及需求,確定密集鉆孔聯(lián)合深孔爆破預(yù)裂分區(qū)治理方法,弱化了厚硬巖層的完整度,減小了頂板懸跨尺寸。

(2)切巷炮孔爆破致裂影響范圍在1.6 m~2.2 m,配合密集鉆孔間的導(dǎo)向作用,6 m炮孔間距可以取得較好的頂板平面切縫效果;工作面推采后的采空區(qū)頂板垮落狀態(tài)良好。

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