深孔预裂爆破技术在坚硬顶板管理中的应用电子教案.doc

深孔预裂爆破技术在坚硬顶板管理中的应用
朱庄煤矿：许庭教 程兴浩 李俊民 郭忠 张坤
1、引言
煤层顶板的岩石强度与煤矿开采的关系密切，难冒顶板给煤矿的安全生产带来很大的安全隐患，如果采空区未冒顶板的面积过大，将会对工作面周围的人员和设备造成很大的威胁，一旦顶板大面积冒落，形成强烈的空气冲击波，造成人员伤亡和设备损毁，所以加强顶板管理对煤矿安全生产有着重要的意义。对于难冒的煤层顶板，一般采取高压注水和深孔爆破的方法来弱化顶板，两者相比，深孔爆破弱化顶板的方法的效率较高
2、深孔预裂爆破的作用机理
爆破理论认为，埋入无限岩石中的炸药爆炸后，产生强冲击波和大量高温高压爆生气体由于爆炸压力远远超过介质的动抗压强度，使得炮孔周围一定范围内的介质被强烈压缩、粉碎，形成压缩粉碎区；在该区内有相当一部分爆破能量消耗在对介质的过度破碎上，然后冲击波透射到介质内部，以应力波形式向岩体内部传播。在应力波作用下，介质质点产生径向位移，在靠近压缩区的介质中产生径向压缩和切向拉伸。当切向拉伸应力超过介质的动抗拉强度时会产生径向裂隙，并随应力波的传播而扩展。当应力波衰减到低于介质抗拉强度时,裂隙便停止扩展。在应力波向前传播的同时，爆生气体紧随其后迅速膨胀，进入由应力波产生的径向裂隙中；由于气体的尖劈作用，裂隙继续扩展。随着裂隙的不断扩展,爆生气体膨胀，气体压力迅速降低；当压力降到一定程度时，积蓄在介质中的弹性能就会释放出来，形成卸载波，并向炮孔中心方向传播，使介质内部产生环向裂隙。径向裂隙和环向裂隙互相交叉而形成的区域称为裂隙区。当应力波进一步向前传播时，已经衰减到不足以使介质产生破坏，而只能使介质质点产生振动，以地震波的形式传播，直至消失。
应力波过后，爆生气体产生准静态应力场，并楔入空腔壁上已张开的裂隙中，在裂隙尖端产生应力集中，使裂隙进一步扩展。在裂隙扩展过程中,爆生气体首先进入张开宽度大、较平直、对气体楔入阻力小的大裂隙中，然后再进入与之连通的小裂隙中，直到其压力降到不足以使裂隙继续扩展为止。爆生气体在岩体内产生的准静态应力随距炮孔中心距离的增加而衰减，因而在岩体内存在爆生气体应力梯度。在爆生气体压力驱动下，裂隙始终朝着应力低的方向扩展,即向着远离炮孔的方向扩展。
煤层顶板中的深孔爆破主要是激发岩石中的初始损伤裂纹，使岩石局部的应力状态发生变化，达到降低岩石的强度和弹性模量的目的。在炸药作用的范围内，岩石的强度降低并形成一个弱面，增大冒落岩石的碎胀系数，改变顶板岩体周期来压冒落步距，减小工作面支架的压力，为工作面的顺利生产提供条件。
3、工程概况：
Ⅱ646工作面位于Ⅱ64采区回风下山的左翼，所采煤层属二叠系下统山西组。该面煤层结构简单，煤层厚度为0.8～2.0m，平均厚度约1.5m，属中厚煤层。经计算，可采性指数Km=0.85，煤厚变异系数γ=36%，为较稳定煤层，煤层倾角为5°～10°。该面6煤层直接顶板为灰～浅灰色层状中细粒砂岩，层理明显，厚度18～20m；往上为深灰色砂质泥岩或泥岩，厚度20～30m。直接底板为黑色砂质泥岩，厚2.0～3.0m，往下为灰黑色薄层状粉砂岩，中间夹有泥岩，层理明显，厚度16.0m～18.0m，再往下依次为灰色中粒砂岩，以石英、长石为主，坚硬，厚度18.0～20m；灰黑色泥岩，致密，无层理，厚17.0～19.0m；一灰，灰白色，厚1.5m。
附顶、底板岩石力学性质表：
单位：kg/cm2
岩石名称
抗压强度
抗拉强度
普氏系数
砂岩
700～900
30
7～9
砂质泥岩
520
28
4～5
泥 岩
324
24
3～4
4、深孔预裂爆破原则及方案设计
4.1深孔预裂爆破原则
以破坏顶板的完整性为前提，根据直接顶、老顶的厚度及岩性特点设计放顶方案。在工作面两巷施工钻孔，采用深孔预裂爆破技术，对初次来压期间的顶板实施有效控制，尽可能使冒落的矸石充满或基本充满采空区，对上履岩层支撑或垫层作用，达到使随采随落的目的；同时破坏顶板的完整性，使上履岩层较易垮落，从而减弱顶板垮落的冲击强度，大大减少老塘有害气体积存空间，从而减低因顶板垮落而造成瓦斯的瞬间涌出及顶板大面积垮落而形成冲击压力的可能性。
4.2 深孔爆破方案设计
两巷炮眼布置。初次放顶分别距切眼为30米，随后根据岩性的变化，步距为30～60米。机、风巷各布置一组炮眼，炮眼布置图及参数如下：
炮眼布置参数
施工
地点
炮眼
编号
仰角
水平
转角
炮眼
深度
炮眼
直径
炸药
直径
封泥
长度
雷管段别
风巷
炮孔1
24°
0
32m
75mm
60mm
10m
3
炮孔2
12°
0
50m
75mm
40mm(8m)
60mm(30m)
12m
1
炮孔3
24°
0
32m
75mm
60mm
10m
3
炮孔4
12°
0
50m
75mm
40mm(8m)
60mm(30m)
12m
1
炮孔5
2°
0
110m
75mm
40mm(30m)
60mm(60m)
20m
3
炮孔6
30°
30°
30m
75mm
40mm
10m
1
机巷
炮孔7
39°
0
30m
60mm
40mm
10m
3
炮孔8
26°
0
50m
60mm
40mm
12m
1

(a)炮孔布置平面图

(b)炮孔布置剖面图

(c)风巷炮眼布置图 (d)机巷炮眼布置图

4.3 实施情况
4.3.1装药时要将每节被筒炸药逐一可靠连接，推送到设计的装药位置。装药段在被筒内全段敷设煤矿许用导爆索，要求不间断的装药。
4.3.2封孔长度可根据爆破地点煤（岩）体强度和实际需要来确定，但封孔长度不得小于8米；封孔材料采用黄泥；使用封泥机从起爆药包位置开始直至孔口，连续密实封堵。
5、技术参数
5.1 钻机型号：机巷使用ZYJ-380/210液压架柱式回转钻机，钻孔直径60mm；风巷使用SGZ-ⅢA-150型杭州钻机，钻孔直径75mm。
5.2 炸药：使用三级煤矿许用被筒水胶炸药。
5.3 炸药被筒：炸药被筒采用抗静电材料制成。
5.4 导爆索：煤矿许用导爆索（煤矿许用工业索类火工品）。
5.5 雷管：煤矿许用毫秒延期雷管。
5.6 发爆器：FD—200型发爆器。
5.7 封孔器

6、爆破效果及经验总结
6.1 爆破效果
2646综采工作面实施深孔预裂爆破后取得了较好的效果。爆破后，顶板出现了裂隙，并形成了一个“沟槽”。当工作面推进10米左右，顶板开始大面积冒落，冒落范围达到了工作面的1/3，工作面推进20～30米，顶板全部冒落，支架后部空间被冒落的矸石充填密实，实现了顶板预裂的目的，经采用放顶后，工作面推进过程中未出现切顶、压架现象。
在工作面周期来压时，对工作面的114个支架移动情况进行统计，爆破前后难移动支架数量对比见下表。
爆破前后难移动支架数量对比

爆破前
爆破后
移动困难支架数量/个
20
0

在工作面周期来压时，深孔爆破前后，对综采支架矿压统计情况进行对比，见综采支架矿压统计直方图a, 图b:

综采支架矿压统计直方图a：未实施深孔爆破

综采支架矿压统计直方图b：实施深孔爆破后

从上表及综采支架矿压统计直方图（图a, 图b）的对比来看，爆破后支架基本能正常移动，说明爆破后支架的局部应力下降，周期来压时对采场的影响较小。统计数据反映了爆破区域岩石的强度降低，煤层顶板岩石的弱断面基本形成，岩石冒落的步距减小，整体性降低，对采场支架的支撑压力和弯矩降低，使得支架能正常移动。
6.2 经验总结
① 根据直接顶、老顶岩性和厚度结合矿压活动观测资料，因地制宜的确定孔深和间距，有效的降低爆破带来的危害，减少对工作面设备的破坏。② 保证深孔预裂爆破的效果关键是炸药的威力充分发挥，各段药卷之间彼此接严，封泥的质量必须得到保证，采用专用封泥机进行封泥。③ 采用毫秒延期雷管、导爆索及矿用安全型炸药，减少拒爆、残爆等现象发生。④ 设计炮眼时对中孔位置要充分考虑，以免因中孔位置位于支架正上方而造成支护设备损坏。⑤ 采空区积存瓦斯浓度超过规定严禁放炮。