D型聚能爆破管在沿空留巷中应用研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 采矿与井巷工程 移动扫码阅读 张 盛王小良赵文峰. 型聚能爆破管在沿空留巷中应用研究.煤炭科学技术 / . . . / . 型聚能爆破管在沿空留巷中应用研究 张 盛王小良赵文峰王 猛吴自强赵龙刚 .河南理工大学 能源科学与工程学院河南 焦作 .煤炭安全生产河南省协同创新中心河南 焦作 .河南永锦能源有限公司河南 禹州 摘 要为了得到 型聚能爆破管合理的爆破参数结合云煤一矿 运输巷沿空留巷的条件对 影响预裂爆破效果的影响因素包括装药量、封孔长度、装药结构以及爆破孔间距等进行了井下爆破 试验提出采用隔孔爆破的方式利用非爆破导向孔联结相邻爆破孔的裂缝并采用井下钻孔窥视技 术对爆破效果进行监测最终确定了云煤一矿沿空留巷中合理的预裂爆破参数在切顶卸压孔深度 孔径 爆破孔倾斜角度为 条件下爆破孔单孔装药量不低于 / 封孔长度不低于 采用隔孔爆破方式两爆破孔间距不大于 对于同类条件下矿井聚能预裂爆破参数的选择 有一定的工程参考价值 关键词 型聚能管预裂爆破沿空留巷切顶卸压 中图分类号 文献标志码 文章编号 . . . . . . . . . . . / . . 收稿日期责任编辑杨正凯 基金项目国家自然科学基金资助项目河南省重点实验室基金资助项目 作者简介张 盛男山西朔州人博士教授 . 引 言 随着煤炭资源的日益减少和矿井开采深度的不 断加大煤炭资源采出率越来越受到重视 切顶卸 压沿空留巷作为一种无煤柱开采技术不仅可以提 高煤炭资源采出率、延长矿井服务年限、减少巷道掘 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 进量、缓解采掘接替矛盾而且也可以实现 型通 风方式治理工作面瓦斯超限是我国煤炭安全高效 开采的关键技术之一近些年在很多矿井得到了推 广应用 切顶卸压沿空留巷的关键技术为提前 对顶板进行预裂切缝目前应用较为广泛的技术主 要有预裂爆破和水力压裂技术 预裂爆破常用的聚 能装置中空筒状聚能管即双向聚能管此种聚能管 在一些矿区得到了推广应用并对其预裂爆破参数 进行了相应的研究 近年来随着切顶卸压沿空留巷技术的不断发 展聚能管的种类不断增加 型聚能管由于其特 殊的构型在爆破施工中可大大减少钻孔数量广泛 应用于隧道工程以及边坡工程并取得了较好的技 术效益和经济效益 同时此种聚能管在煤矿光 面爆破周边眼也有较为广泛的应用可以实现少打 眼少装药提高单炮进度但其相关爆破参数在顶板 预裂爆破的应用还缺乏现场研究 因此在使 用该类聚能管条件下进行顶板预裂爆破掌握其聚 能预裂爆破参数是在该类聚能管使用下能够成功实 现切顶卸压沿空留巷的关键具有十分重要的研究 意义 笔者结合云煤一矿 运输巷具体的工程地 质条件分析了顶板预裂爆破的机理以及影响切缝效 果的因素在此基础上进行了大量的现场爆破试验 得到了合理的预裂爆破参数对同类条件下矿井沿空 留巷中的预裂爆破参数确定具有一定的参考价值 工程概况 . 开采及地质条件 云煤一矿 工作面为综放工作面主采二 煤层煤层平均厚度 . 工作面直接顶为细粒砂 岩浅灰色中厚层状平均单轴抗压强度为 属于坚硬岩层平均厚度 . 基本顶为粉 砂岩深灰色薄层状平均单轴抗压强度为 属于坚硬岩层平均厚度为 . 直接底为 泥岩平均厚度 . 基本底为粉砂岩平均厚度 为. 根据岩体基本质量指数值分析云煤一矿 运输巷直接顶属于类围岩基本顶属于 类围岩顶底板岩性如图 所示 图 顶底板岩性及留巷参数 . . 沿空留巷概况 工作面运输巷沿煤层顶板掘进全断面 锚网索支护具体锚网索支护参数如图 所示采取 预裂爆破切顶卸压进行沿空留巷如图 所示 采 用切顶卸压沿空留巷技术切顶留巷前对巷道顶板 进行补强支护然后在 运输巷超前 进 行切顶钻孔施工切顶钻孔参数切顶钻孔深度 切顶角度 切顶钻孔位置距巷道上帮 留巷过程中采用 型钢棚腿进行巷旁支 护留巷参数如图 所示 图 切顶留巷试验巷道平面布置 . 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 张 盛等 型聚能爆破管在沿空留巷中应用研究 年第 期 . 原爆破存在的问题 矿井在最先开始采用 型聚能管进行预裂爆 破时由于选择爆破参数不合理导致孔口处多次出 现爆坑、炮孔内塌孔、孔口处锚杆失效、钢带破坏以 及巷道顶板产生破坏性裂缝等严重影响爆破效果 如图 所示 因此有必要对 型聚能管顶板预裂 爆破参数进行深入研究 图 聚能预裂爆破后顶板破坏 . 聚能预裂爆破机理及影响因素分析 . 型聚能管结构 型聚能管是一种抗静电阻燃的 材料其 截面成 型该聚能管长轴长 短轴长 聚能管槽内角距离 聚能管外角度 该型聚能管包括 部分管体以及扣盖如图 所示 图 型聚能管示意 . . 聚能预裂爆破切缝机理 切顶卸压沿空留巷技术的关键技术之一是顶板 能够进行预裂爆破通过在爆破孔内布置装有炸药 的聚能管实现定向预裂爆破 聚能管上设置有定 向聚能槽聚能爆破时由于聚能装置的压缩性较 小作用过程中爆破能量主要以动能形式释放避免 了爆生气体膨胀引起的能量分散从而沿设定方向 形成高能流集中作用于设定方向上加之聚能部位 为薄弱面爆轰产生的高温、高压、高速气体将沿聚 能槽方向形成强力气楔驱动裂缝的不断扩展最终 使顶板岩体沿设定方向拉张开裂 因此聚能预裂 爆破的实质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设定的两个方向上产 生集中拉中拉力实现岩体定向拉张成缝 . 聚能预裂爆破影响因素 影响预裂爆破效果的因素涉及到装药量、装药 结构、封孔长度以及爆破孔间距 装药量 装药量的大小决定着单孔装药爆 炸产生的聚能爆破能量从而影响着切缝效果 实践证明装药量不宜较大也不宜较小装药量较 小聚能爆破能量不足爆轰产生的峰值压力较少 不利于裂缝的扩展以及贯通装药量较大爆破产生 的能量将会破坏顶板及其它支护物尤其对于高瓦 斯矿井会有一定的安全风险 装药量的大小应该 基于岩体的强度进行单孔爆破试验进行确定 装药结构 顶板聚能预裂爆中炮孔内的装 药方式有很多但在实际爆破工程中为了方便装药 或者满足爆破工程的需要不论径向和轴向都采取 不耦合装药方式具体主要分为 种方式药卷间 隔一段空气柱以及药卷间隔几段空气柱如图 所示 图 轴向不耦合装药方式 . 目前常用的定向聚能管如中空筒状聚能管采 用图 的装药结构即不耦合药卷间隔几段空气 柱 型聚能管由于其特殊的构型采用图 的 装药结构即在装药段进行连续装药封孔段与炸药 之间留设一定的空气柱 封孔长度 柱状炸药爆破时岩体抗爆能力 随炮孔深度增加而增加而炸药爆岩能力与封孔长 度和岩体抗爆强度有关 若封孔长度过短岩体抗 爆破能力降低在爆炸时会产生抛掷爆破漏斗从而 影响爆破效果如果封孔长度大于其临界长度使爆 岩能力小于抗爆破能力爆炸时封孔段岩体将不能 形成裂缝同样影响爆破效果 因此合理的封孔长 度既要保证封孔段岩体松动预裂同时又不能产生 抛掷爆破漏斗 爆破作用指数为 式中 为爆破作用指数 为爆破漏斗半径 为最 小抵抗线 其中当 . 时爆破漏斗为松动爆破漏 斗此时炮孔内的岩石只产生破裂、破碎而没有向外 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 向外抛掷的现象从外表看没有明显的爆破漏斗现 象 因此在聚能预裂爆破中爆破作用指数应该越 小越好而该值的大小与封孔长度、单孔装药量、炮 孔深度、装药结构等因素息息相关 在实际爆破中确切的抵抗线值需要依据炮孔 爆破后的有关参数确定根据一般情况考虑深孔爆 破时封孔长度应为孔深的 爆破孔间距 实践证明爆破孔间距对预裂 效果有重要的影响爆破孔间距不宜较大也不宜较 小间距较大相邻炮孔之间的炮孔裂缝不能贯通 无法达到预期的预裂效果影响切顶效果间距较 小尽管可以达到较好的切缝效果但是会增大工程 量增加钻孔成本降低留巷进度同时会对顶板以 及其它支护物造成一定程度的破坏因此爆破孔 间距必须要有合理的区间 一般的认为若要达 到良好的切缝效果两爆破孔的裂缝应该贯通其 判断条件为两爆破孔产生的裂缝之和应大于孔 距即 式中 为切顶钻孔中心距为切顶钻孔半径 为侧压系数 / 为顶板岩体泊松比 为原岩应力为炮孔壁上冲击波峰值压力为 岩体初始损伤参数为顶板岩石抗拉强度 为爆 炸应力波衰减系数/ 预裂爆破现场应用 . 试验方案 为了掌握顶板聚能预裂爆破的合理参数切断 留巷顶板与采空区顶板之间的联系保证巷道满足 下个工作面的使用要求在认真分析 工作面 工程概况的基础上设计 工作面顶板聚能预 裂爆破方案探究是否使用聚能管、聚能管装药量、 聚能管封孔质量以及爆破孔间距对预裂爆破效果的 影响从而确定最佳爆破参数 是否使用聚能管 顶板预裂爆破采用 型 聚能管聚爆破采用煤矿三级水胶炸药卷长 每卷炸药质量 为了探究有无聚能管对爆 破效果的影响现场采用 种试验方案方案采用 单孔爆破方式不采用聚能管单孔装药量 . 卷方案亦采用单孔爆破方式使用 根 长 聚能管单孔装药量 . 卷 装药量 型聚能管理论装药线密度为 . / 为了确定最佳的单孔装药量现场采用 种 试验方案如图 所示方案采用单孔爆破方式 使用 根 . 长聚能管单孔装药量 卷. 封孔长度 . 方案亦采用单孔爆破方式 使用 根 长聚能管单孔装药量 卷. 封孔长度 . 方案同样采用单孔爆破方式使 用 根 和 根 . 长聚能管单孔装药量 卷. 封孔长度 . 以上 种方案均采用 水沙袋结合炮泥进行封孔 图 装药量试验方案 . 封孔长度 封孔长度决定着炮孔在爆破过程 中是否出现冲孔、塌孔以及成缝质量的好坏为了确 定合理的封孔参数现场采用 种试验方案如图 所示方案 采用单孔爆破方式使用 根 长聚能 管单孔装药量 卷. 封孔采用水沙袋封孔 长度. 方案 亦采用单孔爆破方式使用 根 长聚能管单孔装药量 卷. 封孔采用炮泥 封孔长度 方案同样采用单孔爆破方式使用 根 长聚能管单孔装药量 卷. 采用水沙 袋结合炮泥进行封孔封孔长度 . 图 封孔质量试验方案 . 爆破孔间距 爆破孔间距的选择对切缝效 果有着重要的影响为了得到合理的爆破孔间距现 场设计三种试验方案如图 所示方案采用 间距隔孔装药爆破方式方案采用 间距隔孔装药爆破方式方案采用 间距 隔孔装药爆破方式 种方案中均使用 根 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 张 盛等 型聚能爆破管在沿空留巷中应用研究 年第 期 图 爆破孔间距方案 . 长聚能管单孔装药量 卷. 采用水沙袋结 合炮泥进行封孔封孔长度 . 每种方案各观测 个观测孔 . 试验过程 试验过程主要分为 步切顶钻孔施工、切顶钻 孔标记、预裂爆破如图 所示 切顶钻孔施工 采用专用顶板爆破孔施工 钻机施工切顶钻孔图 钻孔深度 钻孔直 径 钻孔角度严格按照设计角度与竖直方向 呈 进行打设保证切缝线构成一个结构面 切顶钻孔标记 严格按照设计参数使用喷 漆在顶板相应位置标记试验钻孔并进行编号 预裂爆破 爆破采用 型聚能管聚能管装 药是预裂爆破的关键环节装药时需要用到气动胶 枪如图 所示 图 预裂爆破试验过程 . 图 预裂爆破装置 . 装药步骤将气动胶枪图 与风管连接 去掉药卷外包装并放入气动胶枪内部然后拧紧胶 枪后盖给注药抢加压同时手握胶枪沿聚能管从左 向右匀速移动将炸药均匀注入聚能管中图 聚能管中尽量装满炸药将装满炸药的聚能管扣 盖每聚能管绑扎两个方形定位块图 定位块 的作用是固定聚能管的位置将两根聚能管用图 连接件连接每根聚能管内正向放入一枚雷管 雷管脚线绑紧在聚能管上串联起爆聚能管深入 炮孔中严格保证聚能管两端的聚能槽相互对应呈一 条直线用炮泥进行封孔封孔长度不小于 . . 预裂爆破效果分析 应用“导向孔引导”技术如图 所示在顶板 聚能预裂爆破中进行隔孔装药爆破中间留有非爆 破导向孔有利于爆破孔裂缝相互扩展以及贯通增 强了定向切缝结构面的形成同时该孔便于采用孔 内探测的方法对炮孔内以及非爆破孔内裂缝进行 检测通过钻孔窥视仪内部探测成像检测定向预裂 缝孔内扩展情况从而评估预裂爆破效果确定合理 的聚能预裂爆破参数 图 导向孔导裂示意 . 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 有无聚能管爆破效果分析 对是否采用聚 能管爆破的两种不同方案下的爆破孔进行孔内探 测结果如图 所示由于方案未使用聚能管爆 破后炮孔变形较为严重裂缝分布非常杂乱无定向 扩展规律没有聚能效果使用聚能管的炮孔内见明 显贯穿孔口至孔底的两条主要裂缝而且几乎呈现 对称分布 可见该聚能管可以起到较好的聚能效 果保证爆破后切缝线可以构成一个结构面 图 有无聚能管钻孔爆破情况对比 . 装药量试验分析 爆破孔孔内会产生连续 对称裂缝对 种不同方案下的爆破孔进行孔内探 测对孔内定向裂缝长度做了统计如图 所示 通过孔内裂缝率 判断爆破效果若 认为 爆破效果良好 由图 可以看出单孔装药量 . 时孔内 裂缝率平均为 而装药量增加至 . 时孔 内裂缝率显著增大孔内平均裂缝率为 装药 量增加至 . 时孔内平均裂缝率增加至 可见随着装药量的增加孔内裂缝率有增大的趋 势单孔装药量为 卷. 时即可满足现场实 际生产 此外对比方案、方案以及方案可以 发现在一定范围内炮孔内裂缝率随着装药长度与 空气柱长度比值的增加而增大 图 不同装药量裂缝率统计 . 封孔长度试验分析 不同封孔条件下爆破 产生的效果有较大差别图 为不同封孔质量方案 下爆破产生的效果 方案中爆破后产生了冲孔 现象在爆破孔周围形成网兜状产生了爆坑对锚 杆和金属钢带产生了破坏作用方案中同样发生 了冲孔现象在爆破孔周围形成了爆坑但与方案一 图 不同封孔质量爆破效果 . 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 张 盛等 型聚能爆破管在沿空留巷中应用研究 年第 期 相比冲孔现象有所减弱当采用方案后爆破后 孔口处较为平整未出现冲孔现象 由此可见封孔 质量不达标爆破产生的爆轰波容易冲击泡泥致泡 泥脱落爆破能量扩散在孔口处形成网兜产生爆 坑 建议采用水沙袋结合炮泥进行封孔封孔长度 不低于 有利于减少冲孔现象的发生 爆破孔间距试验分析 爆破后对 种不同 方案下的观测孔进行孔内探测并对孔内的裂缝长 度进行统计钻孔窥视情况如图 所示 根据窥视 结果得出采用 间距隔孔装药爆破大部分 观测孔内没有明显裂缝只有局部区域有少量裂隙 孔内裂缝率平均为.缩小为 间隔装药 爆破时观测孔内同样没有出现明显裂缝孔内裂缝 率平均为.而当缩小为 间隔装药爆破 时观测孔内出现明显贯穿孔口至孔底的两条主要 裂隙而且呈现对称分布孔内裂缝率平均为 图 间距 观测孔窥视情况 . 结 论 顶板聚能预裂爆破时当采用不合理的预裂 爆破参数容易发生冲孔现象导致孔口处出现爆 坑、炮孔内塌孔、孔口处锚杆失效、钢带破坏以及巷 道顶板产生破坏性裂缝等现象严重影响爆破效果 不利于切顶留巷 在确定切顶钻孔参数的条件下影响聚能预 裂爆破效果的因素有装药量、装药结构、封孔长度以 及爆破孔间距 型聚能管由于其特殊的构型不同 于其他种类的聚能管装药结构采用药卷间隔几段 空气柱不耦合装药结构应该采用药卷间隔一段空 气柱装药结构水沙袋起不到很好的封孔作用容易 出现冲孔现象在孔口处形成网兜应该结合炮泥进 行封孔建议封孔长度不低于 提出采用隔孔爆破的方式利用非爆破导向 孔贯穿两爆破孔产生裂缝并采用井下钻孔窥视技 术对爆破效果进行监测最终确定了云煤一矿沿空 留巷中合理的 型聚能预裂爆破参数在切顶卸压 孔深度 孔径 爆破孔倾斜角度为 条 件下爆破孔单孔装药量不低于 / 封孔长度 不低于 采用隔孔爆破方式两爆破孔间距不大 于 具有一定的工程参考价值 参考文献 朱珍张科学袁红平. 切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技 术及应用.煤炭科学技术. . . . 张国锋何满潮俞学平等.白皎矿保护层沿空切顶成巷无煤 柱开采技术研究.采矿与安全工程学报 . . . . 何满潮张国锋齐 干等.夹河矿深部煤巷围岩稳定性控制 技术研究.采矿与安全工程学报. . . . 何满潮宋振骐王安等.长壁开采切顶短壁梁理论及其 工法第三次矿业科学技术变革 . 煤炭科技 . . 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 . . 何满潮马资敏郭志飚等.深部中厚煤层切顶留巷关键技术 参数研究.中国矿业大学学报. . . . 张国锋许有青葛鹏涛.唐山沟矿厚层砂岩顶板切缝沿空成 巷试验研究.岩石力学与工程学报 . . . . 郭东明凡龙飞高 杰等. 梧桐庄矿墩柱式沿空留巷巷旁支 护技术研究. 煤炭科学技术 . . . . 王 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