综采工作面坚硬顶板预裂爆破技术研究.pdf

收稿日期２０１９􀆽 １２􀆽 ２７ 作者简介崔晋飞１９８７ － ꎬ男ꎬ山西晋城人ꎬ工程硕士ꎬ工程师ꎬ从事煤矿安全技术及管理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０７. ００３ 综采工作面坚硬顶板预裂爆破技术研究 崔晋飞 山西兰花科创 玉溪煤矿有限责任公司ꎬ 山西 晋城 ０４８０００ 摘 要针对玉溪煤矿 １３０１ 首采工作面顶板垮落特征与矿压规律不明确ꎬ主采的 ３ 号煤老顶中砂岩厚度 大、致密坚硬ꎬ初次回采过程中顶板可能存在不易垮落、初次垮落步距大、易形成大面积悬顶等问题ꎬ通过 理论分析与计算提出采用顶板预裂爆破技术ꎬ确定了预裂爆破的参数ꎮ 应用效果表明ꎬ该方法能够在合理 的预裂高度范围内ꎬ使坚硬顶板得到弱化ꎬ有效避免了工作面漏风严重、瓦斯超限、工作面煤壁片帮等强矿 压现象ꎮ 关键词坚硬顶板ꎻ预裂爆破ꎻ切眼 中图分类号ＴＤ３２７. ２３ 文献标识码Ａ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００７􀆽 ０００８􀆽 ０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｂｌａｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｈａｒｄ Ｒｏｏｆ ｉｎ Ｆｕｌｌｙ􀆽 ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ Ｃｏａｌ Ｆａｃｅ ＣＵＩ Ｊｉｎ􀆽 ｆｅｉ Ｓｈａｎｘｉ Ｏｒｃｈｉｄｓ Ｙｕｘｉ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬ Ｊｉｎｃｈｅｎｇ ０４８０００ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｙｕｘｉ １３０１ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｒｏｏｆ ｃａｖｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌａｗꎬ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｉｎｉｎｇ ｏｆ ｎｏ. ３ ｃｏａｌ ｍａｉｎ ｒｏｏｆ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｎ ｌａｒｇｅꎬ ｄｅｎｓｅꎬ ｈａｒｄ ｒｏｏｆ ｍａｙ ｅｘｉｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｎｏｔ ｅａｓｙ ｃａｖｉｎｇꎬ ｆｉｒｓｔ ｓｔｅｐ ｃａｖｉｎｇ ｉｓ ａｐａｒｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｂｉｇꎬ ｅａｓｙ ｔｏ ｆｏｒｍ ａ ｌａｒｇｅ ｏｖｅｒｈａｎｇꎬ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｏｏｆ ｐｒｅ － ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒꎬ ｔｈｅ ｐｒｅ － ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ. Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｗｅａｋ￣ ｅｎ ｔｈｅ ｈａｒｄ ｒｏｏｆ ｉｎ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｐｒｅ － ｃｒａｃｋｉｎｇ ｈｅｉｇｈｔꎬ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｏｆ ｓｔｒｏｎｇ ｏｒｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅꎬ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｅ￣ ｖｅｒｅ ａｉｒ ｌｅａｋａｇｅꎬ ｇａｓ ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ ｌｉｍｉｔ ａｎｄ ｃｏａｌ ｗａｌｌ ｐｌａｔｅ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｈａｒｄ ｒｏｏｆꎻｐｒｅ􀆽 ｓｐｌｉｔ ｂｌａｓｔｉｎｇꎻｃｕｔ 一般把直接存在于煤层上方或较薄的直接顶上 面ꎬ含有较厚且坚硬的砂岩、砾岩或石灰岩层的顶板 称为坚硬顶板[１ －３]ꎬ其结构致密、整体性强、节理裂 隙构造不发育、自稳力强ꎬ能大面积悬露在采空区而 不垮落ꎬ易引发顶板灾害ꎬ对矿井生产的安全高效性 造成严重影响ꎮ 处理该类顶板悬落的主要技术手段 是预裂爆破技术[４ －６]ꎮ 本文以玉溪煤矿 １３０１ 工作 面为研究背景ꎬ针对顶板可能存在不易垮落、初次垮 落步距大、易形成大面积悬顶等问题ꎬ采取了预裂爆 破技术ꎬ通过计算确定了相关技术参数ꎬ有效避免了 工作面漏风严重、瓦斯超限、工作面煤壁片帮等强矿 压现象ꎮ １ 工程概况 １３０１ 工作面是玉溪煤矿的首采工作面ꎬ其顶板 垮落特征与矿压规律不明确ꎬ主采的 ３ 号煤老顶中 具有较厚的砂岩ꎬ致密坚硬ꎬ初次回采过程中顶板可 能存在不易垮落、初次垮落步距大、易形成大面积悬 顶等问题ꎬ这将会导致工作面漏风严重、瓦斯超限、 工作面煤壁片帮等强矿压现象ꎬ对设备和人员造成 极大的威胁ꎮ 因此ꎬ在回采前对 １３０１ 工作面开切眼顶板进行 弱化处理至关重要ꎬ针对该工作面的煤岩层赋存和 生产技术条件ꎬ进行初采前顶板预裂研究ꎮ ２ 顶底板特征 通过对该矿 １３０１ 工作面辅助运输巷第十二联 络巷顶板岩层结构钻孔窥视可知ꎬ主采煤层顶板从 下至上依次为泥岩直接顶ꎬ平均厚度 ２. ４ ｍꎻ中砂 岩老顶ꎬ厚５. ３ ｍꎻ泥岩ꎬ厚７. ４ ｍꎮ 预计沿开切眼 ８ 试试验验研研究究 总第 ２５１ 期 走向各岩层的厚度变化不大ꎬ该工作面主采煤层及 顶底板柱状如图 １ 所示ꎮ 图 １ 煤层顶底板柱状 ３ 预裂爆破基本理论 一般情况下ꎬ炸药爆破时ꎬ工业炸药爆震面上产 生的超高压冲击煤岩体ꎬ其附近的一小部分煤岩体 由于受到强烈压缩ꎬ温度会超过 ３ ０００ ℃ꎬ这部分岩 体呈熔融状且具有流动性而形成空腔ꎮ 冲击波不断 传播ꎬ能量不断释放ꎬ气体压力和温度骤降ꎬ周围的 熔融状态的煤岩体的应力不断消除ꎬ逐渐粉碎成细 微颗粒ꎬ便形成了压碎圈[７ －８]ꎮ 径向方向上的裂缝 和压碎圈贯通后ꎬ由于药室体积的扩大爆炸产物的 压力而降低ꎬ但仍可钻进裂缝ꎬ使裂缝进一步变大ꎬ 产生拉应力场ꎬ形成裂隙圈ꎮ 炮孔各区分布区域见 图 ２ꎮ 图 ２ 炮孔爆破后各区分布 ４ 顶板预裂爆破主要设计参数 ４. １ 压碎圈与裂隙区半径 １ 压碎圈半径ꎮ 受到冲击波的强烈作用ꎬ压 碎圈内的岩体变得极度粉碎ꎬ把在冲击载荷作用下 的岩体看成不可压缩的理想流体ꎬ对于柱状药包ꎬ采 用理想流体介质模型ꎬ如果采用不耦合装药且系数 较小时ꎬ则相应的压碎圈半径为 Ｒｃ＝ ρ０Ｄｖ２ｎＫ －２ηｌ ｃＢ ８ ２σｃｄ １ ａ ｒｂ１ 其中 Ｂ ＝１ ＋ ｂ２＋ １ ＋ ｂ２ －２μｄ１ － μｄ１ － ｂ２[] １ ２ 式中ρ０为炸药的密度ꎬｋｇ/ ｍ３ꎻＤｖ为炸药爆速ꎬ ｍ/ ｓꎻｎ 为炸药爆炸产物膨胀碰撞炮孔壁时的压力增 大系数ꎬ取 ｎ ＝１０ꎻＫ 为装药径向不耦合系数ꎬＫ ＝ ｄｂ/ ｄｃꎻｄｂꎬｄｃ分别为炮孔半径和药包半径ꎬｍｍꎻη 为爆轰 产物的膨胀绝热指数ꎬ常取 ３ꎻｌｃ为装药轴向系数ꎬ取 ｌｃ＝１ꎻσｃｄ为岩体的单轴动态抗压强度ꎬＭＰａꎮ ｒｂ为放 炮后的影响半径ꎬｍꎻμｄ为煤岩体动态泊松比ꎻａ 为 载荷传播衰减指数ꎬａ ＝ ２ μｄ １ － μｄꎻｂ 为侧向应力系 数ꎬｂ ＝ μｄ １ － μｄꎮ ２ 裂隙区半径ꎮ 岩体中任意一点的应力强度 为 σｉ＝ １ ２ σｒＢ２ 在压碎区与裂隙区两者的分界面上 σＲ＝ σｒ｜ｒ ＝ Ｒｃ＝ ２σｃｄ Ｂ ３ 式中σＲ为两者分界面上的径向应力ꎬＭＰａꎮ σｒ 为煤岩体中的径向应力ꎬＭＰａꎮ 根据强度准则ꎬ当岩体出现裂隙时其区域内半 径为 Ｒｐ＝ σＲＢ ２σｔｄ １ β Ｒｃ４ 在不耦合装药条件下ꎬ裂隙区半径为 Ｒｐ＝ σｃｄ σｔｄ [] １ βρ０Ｄｖ２ｎＫ －２ηｌ ｅＢ ８ ２σｃｄ １ ａ ｒｂ５ 式中β ＝２ － μｄ １ － μｄꎮ 式中σｔｄ为岩体的单轴动态抗拉强度ꎬＭＰａꎮ 把顶板岩层参数和 ３ 号乳化炸药参数代入计算 得破碎区半径约为 ０. ６ ｍꎬ裂隙区半径约为 ３. １ ｍꎮ ４. ２ 顶板处理高度 根据矿压控制的相关理论及已有的地质资料ꎬ 判断顶板岩层中 ５. ３ ｍ 厚的中粒砂岩为关键层老 顶ꎬ控制着自身及上覆岩层的变形与移动ꎮ 为使 １３０１ 工作面顶板在回采初期及时垮落ꎬ放顶切断的 目标岩层为顶板关键层老顶ꎬ即 ５. ３ ｍ 厚的中粒 砂岩ꎮ 因此将老顶岩层初步确定为该工作面开切眼 ９ ２０２０ 年 ７ 月 崔晋飞综采工作面坚硬顶板预裂爆破技术研究 第 ２９ 卷第 ７ 期 顶板弱化的主要对象ꎮ 结合图 １ 可知ꎬ老顶上方泥岩的完整性应适当 破坏ꎬ设计深孔预裂垂直深度需深入到老顶之上的 泥岩内 ３ ｍꎬ因此顶板垂直处理高度约为 １０. ７ ｍꎮ 考虑岩层厚度局部可能发生变化ꎬ综合确定顶板深 孔预裂处理的垂直高度为 １１ ｍꎮ ４. ３ 主要技术参数 预裂爆破主要技术参数如表 １ 所示ꎮ 表 １ 主要技术参数 主要技术参数数据 顶板处理高度/ ｍ１１ 孔径/ ｍｍ７５ 炸药密度/ ｋｇ􀅱ｍ －３ １ １９４.２６５ 炸药爆速/ ｍ􀅱ｓ －１ ２ ８００ 径向装药不耦合系数１. ２５ 破碎区半径/ ｍ０.６ 裂隙区半径/ ｍ３.１ 孔距/ ｍ每组内 ５.０ 封泥长度/ ｍ７.５ ５ 顶板预裂爆破技术的应用 ５. １ 炮孔布置 在 １３０１ 工作面开切眼内施工预裂炮孔 ２０ 个ꎬ 编号 为 １ ２０ꎬ 炮 眼 总 长 ４４０ ｍꎻ 装 药 总 长 度 ２１７. ５ ｍꎬ炸药用量６５０ ｋｇꎻ封泥长度１１２. ５ ｍꎮ 沿开 切眼轴向布置炮孔ꎬ仰角为３０ ２ꎬ在炮孔距开切 眼外帮 １. ０ １. ５ ｍ 处顶板打眼ꎮ 炮眼布置方式如 图 ３ 所示ꎮ 图 ３ １３０１ 工作面开切眼顶板预裂炮孔布置ｍ ５. ２ 炮孔爆破 根据设计进行打孔、装药、联线和爆破ꎮ 采用 “局部并联ꎬ总体串联”的方式进行联线ꎬ每次起爆 一组炮孔３ 个ꎮ 在开切眼内从回风巷向胶带巷方向进行起爆 分 ５ 组依次进行ꎬ第一组１ ４ 号ꎬ第二组５ ８ 号ꎬ 第三组９ １２ 号ꎬ第四组１３ １６ 号ꎬ第五组１７ ２０ 号ꎮ 每组布置 ４ 个钻孔ꎬ其中 ３ 个钻孔为装填炸 药的爆破孔ꎻ由于钻孔打出后可能出现局部塌孔无 法装药的情况ꎬ因此另一个钻孔内不装填炸药ꎬ为备 用孔ꎮ ６ 结 语 通过对 １３０１ 首采工作面开切眼顶板采取预裂 爆破技术后ꎬ坚硬顶板得到弱化ꎬ有效避免了工作面 漏风严重、瓦斯超限、工作面煤壁片帮等强矿压现 象ꎬ保障了工作面安全高效生产ꎮ 预裂爆破技术是 处理坚硬顶板不易垮落、初次垮落步距大、易形成大 面积悬顶等问题的有效手段ꎬ对类似条件的工作面 提供了参考ꎮ 参考文献 [１] 李 鹏ꎬ 张昌锁. 综采工作面顶板预裂爆破振动对临 近村庄民居的影响研究[Ｊ]. 煤炭工程ꎬ２０１９ꎬ５１７ １２５ －１２８. [２] 崔旭芳ꎬ杨艳军ꎬ史沁彬ꎬ等. 综放初采顶板预裂爆破技 术应用[Ｊ]. 煤ꎬ２０１２ꎬ２１６１８ －２０. [３] 李春睿ꎬ康立军ꎬ齐庆新ꎬ等. 深孔爆破数值模拟及其在 煤矿顶板弱化中的应用[Ｊ]. 煤炭学报ꎬ２００９ꎬ３４１２ １ ６３２ －１ ６３６. [４] 秦广鹏ꎬ蒋金泉ꎬ文志杰ꎬ等. 综放工作面初采期顶煤深 孔爆破弱化试验研究[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０１１ꎬ３９ １０１ －４. [５] 高圣元. 坚硬煤层综放开采顶煤深孔爆破弱化机理与 工程应用研究[Ｄ]. 北京煤炭科学研究总院ꎬ２０１９. [６] 李忠群ꎬ张天军ꎬ徐 刚ꎬ等. 深孔预裂爆破技术在煤巷 快速掘进中的应用[Ｊ]. 煤ꎬ２０１３ꎬ２２２１７ －２０. [７] 刘 健ꎬ刘泽功ꎬ高 魁ꎬ等. 深孔爆破在综放开采坚硬 顶煤预先弱化和瓦斯抽采中的应用[Ｊ]. 岩石力学与工 程学报ꎬ２０１４ꎬ３３Ｓ１３ ３６１ －３ ３６７. [８] 钟 帅ꎬ雒军莉. 顶煤深孔预裂爆破技术在提高巨厚煤 层回采率中的应用[Ｊ]. 煤ꎬ２０１５ꎬ２４１２４ －２６. [责任编辑常丽芳] ０１ ２０２０ 年 ７ 月 崔晋飞综采工作面坚硬顶板预裂爆破技术研究 第 ２９ 卷第 ７ 期