王村煤业底板深孔爆破技术应用

逯文博

摘 要：煤炭深部开采的延续使得巷道压力较之前浅部开采时显现更明显，进而导致巷道底鼓问题愈发严重，已经影响到煤矿正常生产、通风、行人等工作，底板深孔爆破可以使得底板应力由浅部向深部转移，底板浅部不发生塑性流变，底板水平应力得到缓解且向更深部转移，底板所受压力减小后底鼓问题得到有效治理。

关键词：深部开采;底鼓;深孔爆破

1 前言

煤炭在现在乃至以后很多年都会是我国主要能源供应方式，煤炭产能的扩大化使得我国中西部煤炭开采已进入了深部开采阶段，深部开采的延续导致巷道压力更加剧烈，除了往常的顶板来压剧烈之外，底鼓问题伴随发生且愈加严重[1]。底鼓问题的发生会导致诸如影响巷道正常使用、存在安全隐患等问题，因此科研人员探索了如开卸压槽、注浆加固、施加反底拱等技术手段。在煤矿中运用此类技术既减少开采时间，为高效、安全的采矿理念奠定了一定的基础。

王村煤业4507回顺的累计底鼓量达1400mm，多次清底后巷道底鼓仍然发生，已经影响到王村煤业4507工作面的正常生产与4507回顺的运输、行人、通风等工作，需要使用另外的技术手段对巷道底鼓进行进一步治理。

2 工程概况

王村煤矿主要开采埋藏较深的4号煤层，埋深520m，煤层厚度0.8～14.61m，变化较大，王村煤矿采用大采高综采采煤法、综采放顶煤一次采全高采煤法。

4507工作面回顺设计长度3198.284m，矩形断面，掘进尺寸为5700×3650mm，采用锚网索+钢带+菱形网支护形式。

4507运顺支护采用Φ20×2800mm高强预应力锚杆，间排距700×700mm;锚杆托盘采用150×150×8mm碟形托盘;预紧力矩不小于120N·m，锚固力不小于100kN;顶部锚杆与BHW-280-3.0-5.1型W钢带（5100 ×280× 3mm）配合使用，帮部与规格为400×250×50mm的木托板配合使用;锚索采用1×19芯结构、Φ21.6×8800mm钢铰线，每排3根，间排距1400×2100mm;预紧力200kN;顶部采用Φ6mm的Q235钢筋焊制的金属网护表，网格100×100mm，网幅1700×900mm，扣距为300mm;帮部采用菱形钢丝网（8号铁丝）护表，网片互相搭接，相邻两块网之间要用16#铁丝连接，扣距200mm。

现王庄煤业已多次对4507回顺进行卧底工作，以确保巷道断面积。采用该方法治理底鼓较被动，治理过程中工程量大、费用高，且不利于巷道顶板及两帮的稳定。

4507运顺等工作面顺槽由于服务周期短，结合王村煤业实际情况出发，提出深孔爆破卸压技术，使得底板中应力由浅部向深部转移，可以有效减轻施工底板治理措施后可能发生的二次底鼓[2]。

3 底板爆破参数设计

3.1 炮孔长度

爆破炮孔直径主要取决于：爆破所用炸药性能、王村矿围岩赋存状况、装药量、装药结构等，根据之前所做工程实践以及专家研究，高地应力隧道卸压控制爆破钻孔直径应保持在70～90mm之间[3]。

根据现场施工方便程度、安全考虑，以及王村煤矿埋深较大，虽属于高应力巷道考虑，但考虑未在王村煤矿实施过深孔爆破，所以炮孔直径暂时选取为50mm，进行工业性实验后再根据爆破情况进行扩大选擇。

3.2 炮孔间排距

爆破的内部作用在位严重形成空腔、压碎区、裂隙圈等。其中，裂隙区半径是炮孔间排距的决定因素，裂隙圈半径的计算公式为：

（1）

式中：

Rp-裂隙圈半径，m;

ST-岩石的抗拉强度，取4.75MPa，但是考虑到岩石测试是试件，真实的有尺寸效应，即尺寸越大，抗拉强度越大，所以按50%计算，取9.5MPa;

e-切向应力与径向应力的比例系数，e=v/（1-v），v为岩石动态泊松比为0.15。

e-衰减系数，e=2- v，取1.85;

pc-作用在炮眼壁上的初始应力峰值，单位MPa;

db-炮孔直径，50mm。

（2）

式中：

D-炸药的爆速，取3000m/s;

ρ0-炸药密度，取1g/cm3;

dc-药柱直径，取32mm;

n-应力增大系数，n=8～11。

经计算，裂隙圈半径为3.76～4.23m。

炮孔间排距通常取2倍裂隙圈半径，炮孔间排距取7m，但炮孔间距需根据巷道施工空间等因素适当调整，施工后进行钻孔窥视，检验爆破卸压效果后再确定间排距最终取值。

3.3 装药量

保证底板岩体内部爆破时不发生扩壶现象，即满足：

（3）

则有：

（4）

由于当le为最大lemax时，破裂区扩散范围最大且避免了扩壶现象，则理想装药量为：

（5）

式中：

KB-在体积应力下岩石的抗压强度系数，计算式取KB=1.5;

Rc-岩石的单轴抗压强度，32.74MPa;

ρ-钻孔装药密度，取1000kg/m3;

l-钻孔长度;

le-钻孔装药系数，表示装药长度与钻孔长度的比值。

lemax为le最大值，由上述公式得知le<0.64。

装药长度分别为3.472m，装药质量为2.79kg。

3.4 装药结构

深孔松动爆破技术应用中，多采用不耦合装药方式，不耦合系数取1.0～2.0，本方案取1.42。起爆方式多采用正向起爆，即爆轰波向下传播。

3.5 炮孔堵塞长度

封孔长度不低于6m。封孔用速凝水泥或炮泥，一次爆破不多于2个孔[4]。

4 底板爆破效果分析

未采取爆破前 采取爆破后

图2 采取深孔爆破前后对比

观测巷道的变形量，以研究底板深孔爆破实施效果，选择以4507回顺爆破开始位置为测量起始点，每间隔10m布置个测点，布置四个测点，测得顶底板移近量，期间顶板未发生明显变化，故分析得到底鼓量。

4507回顺采取深孔爆破后，底鼓量由324mm减小至98mm，证明底板深孔爆破可有效对抗底鼓发生。

5 结论

①对底板进行深孔爆破后，底鼓量由底鼓量由324mm减小至98mm，后续观测发现巷道累计底鼓量1400mm减小至649mm，有效遏制了4507回顺底鼓的发生;

②底板深孔爆破工业性实验取得明显效果，可推广在在王庄煤业4号煤层其他巷道使用，其他巷道发生底鼓时也可采取底板深孔爆破措施。

参考文献：

[1]史元伟.采煤工作面围岩控制原理和技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[2]孙长青.深孔预裂爆破技术在综放工作面的应用[J].煤炭技术，2008，27（10）.

[3]王家臣，陈忠辉，白希军等.坚硬厚煤层综放开采顶煤预爆破参数研究[J].煤，2000，9（3）：1-4.

[4]魏殿志.爆炸冲击波对煤体的变形和破坏作用分析[J].科技创新，2004（5）：41-42.