浅析预裂爆破在综采工作面坚硬顶板当中的具体应用

摘要:本文以山西凌志达煤业有限公司15号煤层首采工作面坚硬顶板为主要研究对象,提出了坚硬顶板的预裂软化设计方案。同时,对坚硬顶板预裂软化的数值做了模拟分析,为15号煤层安全开采提供理论和技术支撑。

关键词:预裂爆破 综采工作面 坚硬顶板 具体应用

坚硬顶板分为直接顶板和老顶。在对坚硬难冒顶板的煤层进行开采的时候,采空区很容易出现大面积的悬顶,而且当悬顶的面积超过自身的极限之后,顶板就会冒落,进而导致剧烈的动力现象。如果在相对集中的短时间里发生大面积的顶板冒落,那么就会对回采的工作面支护造成不可估量的破坏,并瞬间排除已采空间的空气,使之形成不同程度的风暴,给设备与工作人员带来损害,甚至还会牵连附近的巷道与矿井。所以,必须对工作面的坚硬顶板采取一定的安全防治措施,避免工作人员与设备受到严重性损害,同时还要保证工作面可以安全的进行正常的回采。下面本文就对坚硬顶板的预裂软化设计方案进行简要概述,其中包括顶板预裂的方案研究与顶板预裂钻孔的相关预裂爆破方案分析。

1、坚硬顶板的预裂软化设计方案

由于坚硬顶板的强度很高,而且节理和裂隙不发育,所以具有自稳性强与整体性好等特点。但是在开采的过程这些特点却容易造成大面积的悬顶。所以,为了减少该类隐患,必须对顶板做一些处理以改变其物理力学的性质,减小顶板的悬露面积,保证施工安全。

通常所采用的办法就是爆破弱化,即人为地利用爆破方法将顶板切断,进而使具有一定厚度的顶板冒落转换为矸石垫层[1]。这样就可以减小顶板垮落的面积,缓解顶板垮落时所产生的巨大冲击力;此外,矸石垫层还可以减少顶板冒落时所带来的冲击波与风暴。现在爆破弱化的常用方法有步距深孔爆破、浅孔放顶、地面深孔放顶和超前深孔的预裂爆破等。

结合15#煤的具体情况,以及以往的工作经验,对15号煤层首采工作面的初采采用超前深孔的预裂爆破方式来处理其顶板。比较具体的做法就是,在工作面的顺槽与切眼内向的顶板上打深孔,对顶板的完整性进行预先破坏。然后通过超前深孔的预裂爆破方式来弱化其顶板,进而减少顶板初次来压的步距与周期来压的步距。

2、爆破的具体工艺分析

2.1 钻具与钻孔的工艺

选用ZDY-3200型的全液压坑道钻机,三翼的复合片钻头和天然金刚石表镶钻头,其钻孔的直径大约为55mm。

具体的打钻工艺为:钻机的搬迁与安装作业的准备具体定位启动钻孔加钻杆钻进退出钻杆记录钻探数据。在进行打钻的过程当中一定要严格地执行打钻的操作规程,此外还要制定好相应的安全技术措施,保证施工的安全。

2.2 炸药与雷管种类的选择

炸药主要是乳化炸药,药卷的直径为Φ35*400mm,每卷的质量为0.24kg,雷管选用普通的瞬发、毫秒延期的电雷管[2]。

2.3 装药与封孔操作

在装药的时候,要选用内径为42mm的PVC管来作为炸药的载体。为了保证炸药可以完全起爆,可以使用两导爆索对其进行起爆工作。首先要准备好一个药卷,然后把两根导爆索插入药卷,再并用胶带把导爆索缠好。之后把缠好的药卷放入防静电的PVC管中,再次用胶带缠好。然后再把做好的起爆药卷放到PVC管当中,其中PVC管的长度是依据装药的长度来决定的,为了方便对PVC管装药,可以PVC管上开一个1/4的口,直到把炸药装到要求的长度,再用炮棍把装好炸药的PVC管推入到孔底。

同时,为了保证炮眼内药包的完全引爆,可以采用连续的耦合方式在炮眼内装药,然后利用双雷管和双导爆索来引爆,在孔外对2个雷管进行并联,然后在炮眼口用刻有浅槽的木塞对其进行固定,而且要保证放炮的母线绝缘,悬空吊挂在外面[3]。

当把雷管推到孔底之后,可以根据封泥的长度与炮孔的长度来决定导爆索的长度,在对导爆索的长度进行裁剪的时候只能用快刀进行切割,要避免任何冲击与挤压。最后用炮棍把事先准备的炮泥装入到炮孔中,虽然需要装实但是不能装的过紧,而且在封堵炮泥的时候一定要注意,不能损伤导爆索。在进行引爆的时候,放炮的工作人员也必须在离放炮地点300m左右的安全距离以外的进风巷道联巷里完成放炮工作,同时还要撤出所有炮烟回风系统内的工作人员。

3、坚硬顶板预裂软化的数值模拟分析

为了更加直观地了解坚硬顶板预裂软化的效果,可以选择LS-DYNA型的有限元模型对其爆破的效果进行现实模拟,其所需的具体参数可以参照上文爆破工艺的设计方案研究部分[4]。但是,由于现场爆破工程的问题十分复杂性,所以在用有限元对其进行模拟的数值计算时,根本不可能把所有炮眼都纳入到有限元模型的计算当中,所以把计算模型进行简化,只选取几个比较具有代表性的钻孔作为模拟研究的对象。

通过分析,从不同时刻的Mises等效应力来看,爆炸后在剖面处产生的应力集中区范围越大,应力波的衰减相对较慢;在爆炸初期爆炸波还未接触到顶板自由面时,爆炸刚开始时药包附近压力迅速增大,随着应力波向远处的传播而急速衰减。但当钻孔的爆炸波形成叠加和经过自由面的反射后,应力波峰值分布范围加大,特别是拉应力区,这样现象使得爆炸产生的能量更充分地去破碎岩石,达到预裂坚硬顶板的目的。

综上可知,首采工作面坚硬顶板的深孔爆破基本上可以实现顶板预裂的目的,进而防止了工作面由于顶板瞬间的大面积来压所引发的一些破坏,可以保证工作面当中作业人员与综采设备的安全,为工作面的正常作业提供一个安全、高效的生产环境。

参考文献

[1]崔旭芳,杨艳军,史沁彬等.综放初采顶板预裂爆破技术应用[J].煤,2012.7.(06):18—20.

[2]史红宇.综采面厚层坚硬顶板强制放顶技术研究[J].山西煤炭,2010.(08):52—54.

[3]王晓振,许家林,朱卫兵等.顶板预裂爆破技术在防止压架事故中的应用[J].煤炭科学技术,2011.8.(01):40—43.

[4] 李洪刚,王志强,何涛.3~#残煤、4~#煤合采顶板分类及来压分析[J].煤炭工程,2010.(01):63—65.