浅谈顶板预裂爆破切顶卸压在沿空留巷技术中的应用

浅谈顶板预裂爆破切顶卸压

在沿空留巷技术中的应用

摘要：作为无煤柱护巷的一种主要方式，沿空留巷技术对于提高煤炭回收率、消除隅角瓦斯积聚、降低煤矿开掘率，乃至对消除保护煤柱引起的井下灾害都有明显的效果。通过分析国内外沿空留巷技术和巷内、巷旁支护形式及其理论研究现状，指出了我矿沿空留巷目前所存在的顶板坚硬不易垮落造成巷道矿压显象大的主要问题。针对这一问题，本文对我矿2205采煤工作面运料巷沿空留巷在顶板预裂爆破切顶卸压及其支护技术方面进行了研究，提出了沿空留巷矿压控制方法，并以我矿2205工作面运料巷为例，介绍了沿空留巷技术在实践中的应用。

关键词：沿空留巷；预裂爆破；切顶卸压；支护设计

1.工程背景

孙庄采矿有限公司矿井瓦斯绝对涌出量为0.189 m3/min，相对涌出量为3.279 m3/t，二氧化碳绝对涌出量为0.284m3/min，相对涌出量为4.927 m3/t。该矿井属低瓦斯矿井。为低瓦斯矿井。该矿2号煤煤尘有爆炸危险，爆炸指数为12.5%，煤层无自燃倾向性，为不自燃煤层。

2205工作面开采煤层为2#煤，层位稳定。原煤层厚度为1.8m~2.2m，结构简单，煤质优良，走向SE，倾向SW，倾角7°~21°，平均倾角14°。

煤层直接顶板为3.5m左右的粉砂岩，黑色，含植物化石和黄铁矿，直接顶板完整且较坚硬，放炮后难以随顶板垮落，间接顶板为6m左右的中粒砂岩，灰黑色，含砂较多。直接底板为6m左右的泥岩。

该工作面采用走向长壁采煤法，缓慢下沉法管理顶板，炮采工艺，一

第1页

次采全高。

图1-1 2205工作面顶底板岩层柱状图

工作面情况见图1-2。

图1-2 2205工作面回采巷道布置平面图

2.双向聚能顶板预裂爆破

2.1 双向聚能爆破技术原理

双向聚能拉张成型爆破与其它控制爆破最大的区别是：借助双向聚能

装置实现设定断裂方向产生应力集中，利用该应力断裂岩体。而要使双向聚能装置达到聚能抗拉的效果，一方面，要求聚能装置具有一定的强度，以减少爆轰产物对预留围岩的损伤；另一方面，要求聚能管强度不能过大，以减少作用于聚能装置上的能量消耗和减少装置成本。应用时，在控制炮孔中采用双向聚能装置进行装药，并使聚能方向对准控制断裂方向。炸药起爆后，爆轰产生的冲击波和应力波优先沿设定聚能孔方向集中释放，作用于聚能孔对应方向的孔壁上，在炮孔壁上形成和聚能孔方向一致的径向初始裂缝；随后，爆生气体涌入径向初始裂缝，在设定方向产生张应力集中，断裂岩体，驱动裂缝沿设定方向扩展，从而形成定向的控制爆破面，实现顶板切缝的断裂控制爆破。此外，由于聚能装置壁的缓冲保护作用，在爆炸过程中，减少了冲击波和爆生气体对保留围岩的直接作用，从而抑制了非设定方向裂纹的发展，减少了对保留围岩的损伤。

由上可看出，双向聚能拉张成型爆破的实质是通过双向聚能装置导向和抑制作用，对爆轰产物产生双向聚能效应，使非设定方向上的围岩均匀抗压，而设定的两个方向上集中受拉，在张应力的作用下实现岩体的定向断裂。

2.2 双向聚能爆破技术方案及参数

2.2.1 炸药直径、聚能管径与炮孔直径的选择

聚能管径与炮孔直径两者必须相互适应，根据理论研究和现场试验，一般有两种匹配：外径Ф32mm，小药径聚能管匹配的最佳炮孔直径为35～38mm，炸药直径则为25～27mm；外径Ф38mm大药径聚能管匹配的最佳炮孔直径为42～45mm，炸药直径则为35～37mm，药径与管径必须很好地紧密耦

第3页

合，过大或过小都会影响爆破效果。另外，炮孔直径必须保证较易放入聚能管。根据试验现场的实际条件，设计选用直径为32mm的乳化炸药，聚能管内径为Ф37mm、外径为Ф40mm，炮孔直径为42mm。

2.2.2 切顶炮孔间距的确定

根据定向断裂技术，采用聚能管后可大大地增加炮孔间距，比普通光面爆破要求的炮孔间距提高50 %以上。由于该区2#煤粉砂岩厚度不均匀，势必会造成顶板爆破切缝效果不一，因此我们设计顶板预裂板炮孔间距取值范围为0.5~0.7m，这样可根据现场实际条件灵活掌握运用，在顶板粉砂岩厚度大、不易切顶板的情况下，炮孔间距取最小值，反之则取最大值。

2.2.3 切顶炮孔深度及装药量

根据465地区岩层柱状情况，炮孔应以穿透直接顶板粉砂岩为宜，设计炮孔深度为4.0～4.5m。为保证炮孔质量，应平、直、齐，距靠近工作面侧200mm布置，炮孔布设应确保对齐，成一条直线，炮孔的角度和孔位应按技术要求严格操作。

为保证有效保护顶板，还应保证炮孔利用率，药量参照岩性f = 8～10 确定为小于2250g/孔。药量可根据爆破效果进行适当调整。

2.3 双向聚能装置结构

炮孔采用聚能管连续装药结构如图2-1所示，聚能管结构见图2-2，聚能管采用切缝或打圆孔。切缝宽度一般选择3～5mm，打圆孔直径为3～5mm 。由于预裂炮孔深度达4.0～4.5m，为便于安装，聚能管分成三段，由里向外长度依次为1.5m、1.35m、1.15m，一个炮孔装三段聚能管，第一段置底，第二段和第三段依次装入。聚能爆破装药结构见图2-3所示。

图2-1 聚能药包加工示意图

A

A

切缝宽3-5mm

切口长1cm预留长度3cm

图2-2 聚能管加工示意图

钻孔壁聚能管壁

图2-3 聚能爆破装药结构示意图

2.4 聚能爆破材料参数

爆破参数的确定必须针对现场围岩条件，现场施工中的基本材料（钻眼设备除外）包括双向聚能装置、炸药、火雷管、导爆管雷管、导爆索、导火索等材料，具体规格如下：

2.4.1 双向聚能装置

⑴装置材料：特制聚能PVC管材；

⑵管径：设计采用药卷直径Φ32mm。对应的聚能装置直径：外径Φ40mm，内径Φ37mm，使用钻头直径为Φ42mm。

⑶装置强度：试验研究表明，针对孙庄矿爆破工程的岩体特性，聚能装置的单轴抗压强度要求不小于1.6MPa。

⑷聚能管缝规格：初步设计聚管切缝（圆孔）直径5mm。

第5页