成庄矿深孔预裂爆破切顶卸压护巷技术研究.pdf

成庄矿深孔预裂爆破切顶卸压护巷技术研究冯朝会（晋能控股煤业集团成庄矿，山西晋城048021）摘要：针对成庄矿 5309 工作面采动应力影响下造成采区大巷段围岩变形破坏严重的问题，基于工作面超前支承应力理论，确定了超前支承应力峰值与煤壁之间的距离以及超前支承应力的影响范围，并将深孔预裂爆破切顶卸压技术方案应用于现场工业性试验。结果表明：采用该技术方案后，1 号断面、2 号断面顶底板最大下沉量较之前分别降低了约 60.6、48.2，两帮最大移近量较之前分别降低了约 86.5、84.6，表明该技术方案可有效控制巷道围岩的变形破坏。关键词：采动应力；围岩变形；预裂爆破；控制围岩中图分类号：TD32文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0218-030引言目前，切顶卸压技术主要有水力压裂技术和预裂爆破技术两种1-2。水力压裂切顶卸压技术是利用高压水破坏顶板的完整性，岩体将产生裂隙或原生的微小裂隙进一步衍生扩展，使煤层以上的岩层发生塌落。水力压裂切顶可降低岩层的力学性能，改善工作面的作业环境，消除瓦斯灾害的发生。但水力压裂切顶的前期准备工作较多，施工较为困难3-4。预裂爆破技术切顶卸压是利用爆破释放的爆轰波，在钻孔之间产生贯通裂隙，降低煤层顶板的压力，使其沿切顶线发生塌落。预裂爆破技术切顶卸压施工较为简单，而且适用性较广泛，效率高，具有定向性5，但不适用于高瓦斯矿井。切顶卸压技术可以改变顶板岩层的整体性及连续性，进而减小工作面采动影响的范围，从技术的经济性和实施控制性来看，前者具有适用广、效果好和成本低等优势。针对成庄矿 3 号煤 5309 工作面对应的采区大巷段巷道围岩变形较大、巷道断面减小、产生通风阻力增大和运输物料困难等问题，采用深孔爆破切顶卸压机理及控制技术，改善采区大巷所处的应力环境，确保巷道围岩的长期稳定。既保证了矿井安全生产，又提高了矿井的经济效益。15309 工作面工程背景5309 工作面位于成庄矿五盘区，五盘区盘区大巷以南，5311 工作面以东，5307 工作面以西，5311 工作面还未形成，5307 工作面已回采完毕。53093 巷为皮带巷，53091 巷为辅助运输巷兼电气列车巷，53092巷为回风巷。5309 大采高工作面煤层平均厚度为6.01 m，最厚为 7.9 m，最薄为 5.5 m，5309 工作面回采3 号煤，煤层稳定，无明显层理、节理发育，煤层结构简单。煤层老顶为细粒砂岩，平均厚度为 9.85 m，灰黑色、致密、块状，含多量植物碎屑化石。抗压强度为32.641.2 MPa，平均抗压强度为 38 MPa。平均饱和抗压强度为 24.5 MPa，亦属半坚硬岩石，属中等稳定性顶板。煤层直接顶为砂质泥岩，平均厚度为 2.81 m，灰黑色、质软、岩芯完整，具层理，可见植物化石。平均抗压强度为 32.25 MPa，平均饱和抗压强度为 12.19 MPa，为软弱岩石半坚硬岩石，属不稳定中等稳定程度顶板。煤层直接底为细粒砂岩，平均厚度为 4.83 m，深灰色、以石英为主、颗粒次圆状，分选中等，泥质胶结、较疏松。平均抗压强度为 38 MPa，平均饱和抗压强度24.5 MPa，亦属半坚硬岩石。属中等稳定性底板。煤层老底为砂质泥岩，总厚度为 7.25 m，灰黑色、砂质分部不均、胶结、致密。平均抗压强度为 28.78 MPa，平均饱和抗压强度为 19.20 MPa，为较弱岩石，属中等不稳定底板。2工作面支承应力理论分析支承应力分区力学模型如图 1 所示，利用该模型及平衡理论可以进行理论分析及计算。在极限平衡区内取单元体，其受力分析模型如图2 所示。建立极限平衡方程：收稿日期：2022-12-25作者简介：冯朝会（1988），男，山西晋城人，本科，毕业于太原理工大学阳泉学院采矿工程专业，助理工程师，主要从事采掘管理技术相关工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.085图 1工作面超前支承压力弹性区煤岩壁原岩应力区极限平衡区x1x0滓x滓y酌HK酌Hxy技术应用2023 年第 9 期图 3爆破切顶卸压后围岩变形曲线图 2受力分析模型（滓x+d滓x）D-D滓x+2滓xfdL=0.（1）式中：D 为煤岩层厚度；f 为煤岩层的摩擦指数；L 为模型某位置处距离煤壁的长度。煤岩体的应力需满足：d滓xd滓y=1+sin 渍1-sin 渍.（2）支承应力峰值为：滓y，max=K酌H.（3）联立（1）（2）（3）式，化简可得：L0=D2f1+sin 渍1-sin 渍ln（K酌H子0cot 渍1+sin 渍1-sin 渍）.（4）式中：L0为煤壁侧与支承应力峰值之间的距离；K 为修正系数；酌 为容重；H 为煤层埋深。将 3 号煤层的相关地质参数代入（4）式，计算可得 L0=9.8 m。根据极限平衡理论和水平、垂直应力间的关系可以得到：滓y=琢 exp（-2fD茁L）.（5）式中：琢 为系数；茁 为侧压力系数，取值为 0.5。设弹性区的范围为 L1，且 L=L0+L1时：滓y=酌H.（6）联立（3）（5）（6）式，可得：L1=D茁2flnK.（7）由（7）式可求得弹性区的影响范围为 L1=45.6 m，超前支承应力的影响范围为 L=L0+L1=9.8 m+45.6 m=55.4 m。3深孔爆破相关参数断裂体 A 和断裂体 B 发生滑移失稳的条件为：（Tcos 兹-Rsin 兹）tan 渍Rcos 兹+Tsin 兹.（8）式中：T、R 分别为断裂体 B 受的水平应力、剪切力，kN；兹 为切顶角度，（）；渍 为 A 与 B 间的摩擦角，（）。T=ql22（H-驻H）R=ql扇墒设设设设缮设设设设.（9）式中：q 为断裂体 B 受的均布载荷，kN；l 为 B 的长度，m；H 为老顶厚度，m，驻H 为 B 的下沉量，m。联立（8）（9）式，可得：兹=渍-arctan2（H-驻H）l.（10）在 3 号煤层 5309 工作面中，将技术参数代入（10）式中，可得 渍=19.7，切顶仰角为 90-19.770。在采用深孔预裂爆破进行切顶卸压时，需要将爆破的影响范围控制在裂隙区才能达到预想的效果，由预裂区半径计算公式可得：RP=（滓cd滓td）1琢（籽0vD2nKp-2浊lcB82姨）1琢rd.（11）B=（1+b）2+（1+b2）-2滋d（1-滋d）（1-b）212.（12）式中：b 为侧向应力系数；滓cd抑50 MPa；滓td抑2.18 MPa；籽0为炸药密度，籽01 200 kg/m3；vD为炸药爆速；lc为装药系数，lc=1；Kp为装药不耦合系数，Kp1.5；浊 为爆炸物绝热系数，浊6；rd为炮孔直径，rd0.03。将各参数代入（11）式，计算可得裂隙区半径约为3.05 m。因此，钻孔半径建议取值为 3.0 m。结合现场工程实际地质条件，确定 5309 工作面爆破切顶卸压初步方案为：炮孔从距切眼 50 m 开始，沿工作面皮带巷顶板走向布置，间距为 3.0 m，钻孔直径为 0.06 m，炮孔深斜长为 19 m，仰角偏向工作面侧70，则炮孔垂高为 17.8 m（切顶高度）。每个孔装药长度为 10 m，每米装药量约 1.5 kg，即每个孔装药量为 15 kg，封泥长 9 m。4工业性试验为探究分析深孔预裂爆破切顶卸压效果，在5309 工作面对应的 53093 皮带巷内设置两处监测断面，分别为 1 号监测断面和 2 号监测断面，监测断面间隔为 50 m，采用“十字布点法”监测巷道顶底板及两帮的围岩变形情况。5309 工作面对应的 53093 皮带巷大巷断面尺寸为：长宽4.0 m3.5 m。受工作面采动影响后，皮带巷断面尺寸变为：长宽3.65 m3.08 m，皮带巷顶底板最大变形量约为 350 mm，两帮平均最大移近量约为 420 mm，围岩变形曲线如图3 所示。由图 3 可以看出，在深孔预裂爆破切顶卸压技术dxm滓xm滓ydxf滓ydxm（滓x+d滓x）200160120804001 号断面顶底板变形4060801002 号断面顶底板变形2 号断面两帮变形1 号断面两帮变形轨道大巷与工作面间的距离/m冯朝会：成庄矿深孔预裂爆破切顶卸压护巷技术研究219窑窑山西冶金E-mail:第 46 卷条件下，5309 工作面进行回采后，1 号断面、2 号断面的顶底板最大下沉量分别约为 137.8 mm、181.2 mm，较之前分别降低了约 60.6、48.2。两帮最大移近量分别约为 56.5 mm、64.7 mm，较之前分别降低了约86.5、84.6。由此得出：深孔预裂爆破切顶卸压技术可以改善采区大巷的应力环境，有利于控制巷道围岩的稳定。5结论1）通过理论计算与数值模拟相结合的方法，确定了深孔预裂爆破切顶卸压相关技术参数，切顶角度和高度分别为 20、17.8 m，钻孔间距为 3.0 m，钻孔直径 0.06 m。2）通过现场工业实践表明：采用该技术方案后，1号断面、2 号断面 53093 皮带巷道顶底板最大下沉量较之前分别降低了约 60.6、48.2，两帮最大移近量较之前分别降低了约 86.5、84.6，表明该技术参数具有合理性。参考文献1李鹏飞.深部开采中沿空留巷坚硬顶板预裂爆破技术研究J.煤矿现代化，2019（5）：23-25.2陈上元，赵波，袁越，等.城郊矿深部工作面切顶留巷工程试验研究J.采矿与安全工程学报，2021，38（1）：121-1293牛广欣，姚博，康天合.短综放面初采爆破预裂顶板现场试验研究J.煤炭技术，2018，37（3）：38-41.4许延春，张二蒙，马子民，等.预裂爆破切顶对底板破坏深度及矿压影响规律J.煤炭工程，2021，53（6）：101-106.5魏红印，马智博，杨东山，等.厚煤层坚硬顶板工作面初采卸压技术研究J.煤炭技术，2021，40（8）：18-22.（编辑：郭萍茹）Research on the Technology of Deep Hole Presplitting Blasting for Roof Cutting and PressureRelief in Chengzhuang MineFeng Chaohui（Jinneng Holding Coal Industry Group Chengzhuang Mine,Jincheng Shanxi 048021,China）Abstract:In view of the serious deformation and damage of the surrounding rock in the main road section of the mining area under theinfluence of the mining stress of the 5309 working face of Chengzhuang Mine,based on the working face advanced bearing stress theory,thedistance between the peak advanced bearing stress and the coal wall and the Range of influence of leading bearing stress.The deep holepre-split blasting roof cutting and pressure relief technical scheme is applied to the field industrial test.The results show that:after adoptingthis technical scheme,the maximum subsidence of the roof and floor of the No.1 section and the No.2 section,and the maximum moving amount of the two sections are better than those of the two sections.The previous reductions were about 60.6%,48.2%,86.5%,and 84.6%respectively,indicating that this technical solution can effectively control the deformation and failure of the surrounding rock of the roadway.Key words:mining stress;deformation of surrounding rock;pre-split blasting;control of surrounding rockTRT 煤气发电机组，各少了 1 台发电机及其发配电系统，油站进一步集成为 1 台，其余附属设施也共用 1套。由于鼓风机组、汽轮机发电系统及 TRT 发电系统合为 1 套系统，设备投资、厂房投资及人工成本都大大减少。3）采用 BCRT 机组进行生产时，需要冶金企业结合企业自身情况对本企业的蒸汽进行蒸汽平衡测算，核算出能够供给 BCRT 机组使用的蒸汽量，确定蒸汽参数，以便选用配套的汽轮机。同时与高炉工艺相结合，确定高炉煤气、煤气透平膨胀机等参数。参考文献1张晓，张灵通，王举强.BPRT 鼓风机组在高炉炼铁的应用J.山东冶金，2015，34（4）：76-77.2武志飞，赵斌，马剑岗，等.炼铁系统余热余能利用J.河北理工大学学报（自然科学版），2010，32（4）：50-54.3西安陕鼓动力股份有限公司.一种同轴机组工艺运行安全控制系统：202022615407.9P.2021-08-24.（编辑：武倩倩）BCRT Design and Application of 1 350 m3Blast FurnaceXu Qiumin（Sinosteel Equipment&Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100080,China）Abstract:Shanxi HongDa Irons&Steel Co.,Ltd builds an blast furnace with volume of 1 350 m3.In the design process of the blowerstation,by comparing multiple schemes,the four coaxial unit of a steam electric co-drive axial compressor and an energy recovery turbinewas finally determined as the blast furnace blower unit.This technology not only reduces secondary energy conversion loss,that is convertingthe generators mechanical energy into electrical energy and converting electrical energy into the mechanical energy,but also saves theenergy.Key words:1 350 m3blast furnace；axial-flow compressor；BCRT（上接第 185 页）220窑窑