爆破装药结构对切顶卸压沿空留巷切缝效果研究

成升升,糜瑞杰

(晋能控股煤业集团东瑞煤矿,山西 临汾 042400)

切顶卸压留巷以煤炭回收率高、重大灾害事故低等优势[1-2],已在我国多个煤矿推广应用[3-7]。张赛一[8]等人对顶板破碎出现伪顶情况下的切顶参数进行了研究,但是目前的研究主要是针对切顶高度、切顶角度以及切顶间距等参数的研究,关于切缝爆破方式以及装药结构的研究比较少。本文对山西某煤矿初采工作面的切顶卸压爆破方式及装药结构对切顶缝的影响进行了分析研究,可为类似工程切顶卸压爆破方式选取，以及装药结构选择提供参考。

1 工程概况

东瑞煤业2101首采工作面位于山西组2#煤层,煤层厚0.80～1.00 m,平均0.89 m,顶板为泥岩或砂质泥岩,底板为泥岩。工作面综合柱状图如图1所示。2101工作面长度180 m,其待留巷顺槽是辅运顺槽,辅运顺槽切顶钻孔爆破后,落矸成巷,

图1 工作面综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of working face

采用U型钢+钢筋网进行联合挡矸支护和喷涂高分子材料密闭巷道,可为下一个工作面服务。断面为矩形,掘宽×掘高=4 000 mm×3 000 mm。

2 爆破方案

2.1 钻孔方案

通过理论计算和工程经验可以得出能够确保切缝效果的可靠钻孔方案,具体方案如表1所示。

表1 可靠钻孔方案的关键参数Table 1 Key parameters for a reliable drilling plan

在顺槽内与竖直方向呈20°夹角,打设深度为4.5 m,直径为50 mm的切顶孔,爆破使用3节1.0 m的PVC聚能管装药,封堵不小于1.5 m。钻孔示意图如图2所示。

图2 钻孔示意图Fig.2 Drilling diagram

2.2 爆破方式

为了确保实现预裂顶板的同时能够对巷道顶板进行保护,故采取定向聚能切顶爆破技术。该技术只需要在切缝线上施工放炮,仅产生贯通裂缝,具有爆破炸药单耗低与对周围岩石损失小的优点。具体原理是通过预先在爆破孔内安装聚能装置,聚能装置上设有定向聚能槽,爆破时从槽内释放能量流,实现定向爆破补强。聚能爆破实质上是通过聚能装置使爆轰产物在孔壁非设定方向上产生均匀压力,而在两个设定方向上产生集中拉力,依靠岩石抗压怕拉的特性,使岩石按设定方向断裂,从而实现被爆岩体按设定方向张拉断裂成型[9]，如图3所示。

图3 聚能爆破张拉原理图Fig.3 Tension principle of cumulative blasting

2.3 设计装药结构

针对初步钻孔方案设计中给出的钻孔深度,以4.5 m孔深为例,设计以下装药结构用于开展试验。

装药结构:单卷装药3.0 m,采用雷管起爆,0～0.8 m采用单卷装药,1～1.6 m采用单卷装药,2～2.4 m采用单卷装药,装药量为1.8 kg,封堵长度不小于1.5 m,如图4所示。

图4 设计装药结构图Fig.4 Charge structure

2.4 实际装药结构

原方案中设计了三种装药量1.8,2.0,2.2 kg,为安全考虑,选择装药量较小的装药结构。实际试验时,由于原设计炸药无法装入聚能管,因此更换炸药为300 g/卷,更换炸药后的装药结构如图5所示,装药卷数为3+2+1。

图5 实际试验装药结构图Fig.5 Test charge structure

3 爆破效果评价分析

3.1 爆破试验方案效果分析

爆破后,由于顶板岩性较破碎,孔A和孔B附近的顶板出现小坑,尺寸约 1.5 m×1.0 m×0.5 m(长×宽×深)；孔C的孔口处出现轻微破坏,如图6所示。岩石表面的孔间未发现明显的贯通切缝。

图6 切缝爆破效果图Fig.6 Slit blasting effect

采用岩层探测仪对孔壁进行窥视,可以发现在位于中间的孔B中,封堵段0～1.0 m段未发现切缝裂隙,1.0～1.5 m逐渐出现切缝的轻微裂隙。进入装药段后,孔壁两侧的切缝效果明显,但也存在孔壁过度破坏的现象,如图7所示。

图7 首次试验孔内窥视效果图Fig.7 Peeping effect inside the hole of the first test

3.2 改进后爆破装药结构及效果分析

顶板较破碎导致不可避免地出现孔口岩石破坏掉落。然而试验组孔间未发现贯通的切缝,但是装药段存在明显的切缝和孔壁过度破坏的现象,因此考虑应在保证不增加装药量的情况下,调整装药结构。如图8所示,将最外一节聚能管的炸药放置于底端,增强对封堵段岩石的爆破作用,同时降低对装药段的过度破坏。

图8 改进后的装药结构图Fig.8 Improved charge structure

在顶板较为破碎的区域仍出现了孔口爆坑,尺寸相似,虽然爆破后顶板表面没有很明显的可见裂隙,但发现爆坑轮廓与切缝线有一致的规律。切顶孔位于顶板完整性较好的位置,孔口破坏程度很小,如图9所示。

图9 改进后切缝爆破效果图Fig.9 Improved slit blasting effect

采用岩层探测仪窥视孔壁发现，封堵段破碎程度相对试验段明显变大,装药段有两侧裂隙,但仍存在孔壁过度破坏的现象,如图10所示。

图10 改进后孔内窥视效果图Fig.10 Improved peeping effect inside the hole

3.3 爆破效果分析

从现场情况来看,试验段前期由于钻孔车改造,钻孔采用锚杆钻机钻孔,锚杆钻孔机存在钻孔直径不匹配,切顶孔成型质量差等缺陷,爆破切缝效果不如后期钻孔车改造后施工的钻孔爆破效果好。

在进行炮孔起爆时,由于工人疏忽,最后一个炮孔未接线,再进行漏掉的炮孔单独接线时,发生了拒爆问题。因此在施工现场必须配备专业的放炮员,负责雷管脚线和放炮母线连线工作的检查。

试验钻孔施工时由于工人操作不熟练,存在钻孔位置偏差。在安装聚能管时,存在聚能管切缝方向存在偏差的问题,影响了切缝效果。

通过对实验组与改进组的装药结构及爆破效果进行研究,发现切顶孔所在顶板的完整程度与封堵质量决定了爆破后的顶板破坏程度,装药段决定了爆破后的切缝效果。尤其对于切顶孔位于顶板本身比较破碎的位置,不可避免地出现孔口岩石破坏掉落,形成爆坑,而无法形成贯通缝。因此在顶板较为破碎的切顶孔区域,在设计封堵长度的基础上可以将装药结构最外一节聚能管的炸药放置于底端,增强对封堵段岩石的爆破作用的同时尽可能减少对顶板的破坏。

通过对比实验组与改进组可以发现,封堵段的切缝相对较少,因此可以在顶板较为完整的切顶孔区域适当缩短封堵长度,增强对封堵段岩石的爆破作用。对于本区域的顶板岩石条件而言,切顶孔位于顶板较为破碎的位置,炮孔封堵长度不得低于1.5 m;切顶孔位于顶板较为完整的位置,炮孔封堵长度可以取为1.3 m。

3.4 巷道成形效果分析

目前,2101综采工作面已推进70 m,工作面顶板已于推进25 m时全部顺利垮落。从留巷顺槽现场情况来看,工作面端头端尾顶板垮落滞后于工作面中部。这是由于在施工初期,工人施工不熟练导致爆破切顶钻孔存在错位的情况,整体而言改进后的爆破切顶效果较好,顶板垮落未冲破挡矸支护,说明东瑞煤矿2101工作面选取切缝角度20°,切顶孔深度4.5 m,直径50 mm,孔间距0.6 m的爆破切顶参数较为合理,成巷效果良好。

3.5 切缝施工经验与建议

1)钻孔应保持在平行顺槽的一条直线上,装药时聚能管切缝方向必须保持平行于顺槽方向,可以有效地提高切缝贯通程度。

2)钻孔优先采用切顶钻车,对于施工空间狭窄的地段可采用锚杆钻机,钻头保证每5个孔更换一次。

3)装药施工可由工人完成,但雷管脚线和放炮母线的连线工作必须由放炮员检查完成,以防止爆破过程中出现漏爆、拒爆的情况。

4 结论

通过对装药结构进行研究发现,在选择切顶孔装药结构时,通过合理的选择和试验装药结构可以有效地提高切顶成缝效果。

在设计实验方案时,应当优先考虑装药较少、安全性较好的装药结构。通过现场实验发现,改进炸药安装顺序与封堵长度可以有效地提高贯通缝的质量。

切顶孔所在顶板的完整程度与封堵质量决定了爆破后的顶板破坏程度,装药段决定了爆破后的切缝效果。在顶板较为破碎的切顶孔区域,为保证封堵段的切缝效果,可以在设计封堵长度的基础上将装药结构最外一节聚能管的炸药放置于底端;在顶板较为完整的切顶孔区域,可以适当缩短封堵长度。