寺河煤礦爆破卸壓無煤柱沿空留巷技術研究

劉 橋

（晉能控股裝備制造集團有限公司，山西 晉城 048000）

寺河煤礦開采3#煤層，采用大采高開采方式，采高6.07 m，日推進速度快，開采強度大，礦壓顯現強烈。近年來一直在嘗試無煤柱開采工藝，受制于礦壓強度和推進速度，在關鍵工藝上未取得突破[1-2]。以6306 大采高工作面無煤柱沿空留巷為工程背景，研究爆破卸壓和留巷墻體構筑關鍵技術，少掘一條巷道，緩解采掘銜接緊張，提高資源采出率，延長礦井服務年限。

1 工程背景

寺河煤礦六盤區6306 工作面開采3#煤，煤層平均厚度為6.07 m，平均傾角3°。偽頂為0.4 m碳質泥巖，隨采隨落；直接頂為3.44 m 含粉砂泥巖；基本頂為7.93 m 粉砂巖和11.55 m 細粒砂巖。

工作面設計可采長度2094 m，傾向長度324 m。巷道采用“兩進一回”三巷布置，北側2 條順槽為63063 巷、63062 巷，63063 巷為膠帶巷、輔助進風巷，63062 巷為回風巷；南側1 條順槽為63061 巷，為主進風巷、設備列車巷。順槽設計寬度5.5 m，高度4 m，沿煤層底板掘進，留頂煤厚度2.07 m。

6306工作面北側為采空區，南側為6307工作面，在63061 巷開展無煤柱沿空留巷，作為6307 工作面的回風巷使用。如圖1。

圖1 63061 巷與工作面位置示意圖（m）

寺河煤礦大采高綜采技術成熟，6306 工作面設計推進速度6～8 m/d，采用爆破卸壓無煤柱沿空留巷技術，必須解決兩個關鍵問題：

1）爆破速度。初步設計每米2 個鉆孔，則每天至少完成20 個鉆孔的爆破任務，只能在檢修班完成，傳統的裝藥方式和炮泥封孔方式效率低下，爆破進度將嚴重制約工作面推進速度。

2）墻體穩定性和構筑速度。采高6.07 m，工作面后方礦壓顯現強烈，必須保證墻體有足夠的強度和承載穩定性，同時，按照墻體長度4 m 設計，每天至少完成2 個墻體的構筑工作。

2 爆破鉆孔快速裝藥封孔技術

2.1 爆破鉆孔參數

1）孔深。通過理論計算，采用深淺孔組合設計，深孔深度26.5 m，作用范圍為關鍵層部位；淺孔深度13.5 m，作用范圍為深孔封孔段未爆破范圍。深淺孔間隔布置。

2）孔距。按應力波與爆生氣體準靜壓共同作用確定炮孔間距。通過理論計算，確定深孔間距1 m，淺孔間距1 m。

3）孔徑。不耦合系數K是指鉆孔直徑和炸藥直徑的比值，合理范圍為1.30 ＜K＜1.80。采用的煤礦許用三級乳化炸藥直徑為35 mm，孔徑直徑D選擇60 mm，不耦合系數1.71。

4）角度。與垂直方向夾角15°，偏向回采側。

5）開孔位置?？紤]鉆機便于施工的因素，開孔位置在63061 巷回采側，距離煤壁200 mm。

6）裝藥結構。根據爆破層位和對于封孔長度的要求，26.5 m深孔裝藥長度14 m，封孔長度12.5 m，裝藥量12 kg；13.5 m 淺孔裝藥長度6 m，封孔長度7.5 m，裝藥量6 kg。

深淺孔裝藥結構如圖2。

圖2 深淺爆破鉆孔裝藥結構示意圖

2.2 快速裝藥工藝

以往采用兩種方式裝藥，一種是直接裝藥方式，將藥卷直接放入孔內，采用木制捅桿捅入孔底。送藥過程中可能出現藥卷偏心堵塞、掉落，無法固定，所以必須一次性送入，作業人員持續工作，勞動強度大，同時可能會搗斷炮線。按照26.5 m 孔深、14 m 裝藥長度，單孔裝藥約需要60 min。另一種是采用圓形聚能管裝藥，因圓形聚能管無法拆分，必須將炸藥包裝破壞后擠入注藥槍，然后注入聚能管內，工序復雜，同時存在一定的安全隱患，圓聚能管也無法實現定向聚能爆破。按照26.5 m 孔深、14 m 裝藥長度，單孔裝藥約需要40 min。因此，計劃設計一種可拆分的異形聚能管，將炸藥放入后扣合，不需拆開炸藥，異形結構為聚能槽，實現定向聚能爆破，在孔外制作成聚能藥包后一次性送入孔內。

每組鉆孔包括6 個深孔、6 個淺孔，每次起爆6 個深孔、5 個淺孔，最后一個淺孔僅封孔，用于保護下一組鉆孔。每次需要完成12 個鉆孔的封孔、11 個鉆孔的裝藥。

設計異形PVC 爆破裝藥聚能管作為炸藥載體，采用殼體+扣蓋分體式結構，并設計有聚能槽，實現定向預裂。在管體上安裝有異形倒刺，可預防炸藥脫落。裝藥時，預先將炸藥、導爆索、雷管、腳線等裝入管體內，并接好電路，然后通過連接件連接所有管體。預裝藥完成后，通過絕緣裝藥捅頭和可加長捅桿將連接在一起的管體一次性送入孔底，大幅提高了裝藥效率，降低了勞動強度，防止孔內滑脫，并改善了爆破效果。

具體操作方法：

1）搭建26 m 長平臺，用于制作聚能藥包，本班所需要的11 個聚能藥包全部制作完成后，再進行集中裝藥；

2）提前將導爆索和連接件穿在導爆索上，深孔需要7 個連接件，淺孔需3 個，將炸藥按照設計依次放置在聚能管內，空隙部分用水炮泥或者炮土填實塞緊，用聚能管扣蓋扣嚴，連接件依次連接；

3）將倒刺安裝在提前打好的孔上，調整好方向，用透明膠帶將倒刺粘緊固定，將連接件部位進行粘緊加固，防止脫離，安裝導向頭；

4）尾部最后1 根聚能管，導爆索連接電雷管，雷管腳線連接電纜線，聚能藥包制作完成，共制作6 個長藥包，5 個短藥包；

5）所有爆破鉆孔先用裝藥捅桿和捅頭測試，確認無誤后裝入聚能藥包。安裝時，將聚能藥包小心移動到孔下方，導向頭一側朝上，人工逐段送入，直到全部進入孔內后，用裝藥捅桿和捅頭將聚能藥包送入孔底。

安裝流程如圖3。

圖3 聚能藥包安裝流程圖

2.3 囊袋灌漿快速封孔工藝

以往采用填塞炮泥孔封方式，將制作好的炮泥卷放入孔內，采用木制捅桿捅入封孔段，人工勞動強度大，有可能會搗斷炮線。當封孔深度較大時，難以保證炮泥捅至設計深度，存在搗不實的現象，造成起爆時鉆孔沖孔。尤其是鉆孔內有流水時，流水浸泡炮泥導致炮泥軟化，封孔效果更差。以往炮泥封孔沖孔率約5%。

采用無機爆破封孔材料、囊袋封孔裝置和氣動封孔裝備，實現機械化快速封孔。囊袋封孔裝置由雙端透水布囊袋、注漿管、返漿管、爆破片組成；氣動封孔裝備包括1 臺氣動雙液封孔泵和1 臺氣動連體攪拌桶。使用時，將囊袋封孔裝置安裝在封孔段，將爆破封孔材料制備成漿液注入封孔段，快速固化后即可起爆，實現了封孔作業機械化，大幅減輕了人工勞動強度。

1）無機爆破封孔材料

無機注漿爆破封孔材料，為雙組分無機材料，由A、B 兩種無機礦粉材料組成，加水攪拌制備成漿體，具備速凝早強、完全阻燃抗靜電、無毒腐蝕性等特點。使用水灰比1.2:1，通過泵送灌注注入封孔段，混合前兩種單漿流動性良好，混合后1～3 min 完全失去流動性，10～15 min 完全固化，30 min強度4 MPa，凝結時間和強度可調，漿液注入30 min 后達到設計硬度即可爆破，最高反應溫度不超過40 ℃，使用安全。封孔質量遠高于炮泥，可有效防止沖孔，確保爆破效果。

2）囊袋灌漿封孔裝置

根據以往經驗，深孔爆破個別鉆孔會有不同程度的涌水，孔口封堵后，鉆孔出水會在封孔段形成累積，影響封孔材料凝結，出水量越大影響越大，必須對出水進行封堵隔離。據此情況設計了封孔囊袋，經多次試驗，“兩堵一注”方式能解決問題。

雙端封孔囊袋結構如圖4。作用原理：設計內囊袋和外囊袋，采用透水布袋材質，連接1 根Φ16 mmPE 注漿管，注漿管上設計1 號、2 號、3 號爆破片。兩個囊袋長度加上兩個囊袋之間長度即為封孔長度。1 號爆破片設計壓力0.5 MPa，2 號爆破片設計壓力1 MPa，3 號爆破片設計壓力1.5 MPa。從注漿管下口注入漿液時，注漿壓力作用下1 號爆破片首先打開，漿液注入內囊袋，注入同時內囊袋向外滲水，以提高漿液凝固速度，孔口有水流出，內囊袋注滿后漿液快速凝固，形成內端封堵，有效阻隔孔內淋水，防止淋水進入封孔段影響漿液凝固效果。然后2 號爆破片打開，外囊袋滲水、脹起、固化，實現內外封堵。最后3#爆破片打開，漿液灌入兩個囊袋之間。使用時安裝1 根Φ16 mmPE 返漿管，返漿管上口高度要超過3#爆破片位置。注漿管和返漿管下端都要預留伸出孔口一定長度，便于注漿工人連接操作。

圖4 雙端封孔囊袋結構圖

按照Φ60 mm 孔徑，制作兩種規格的囊袋，一種封孔長度12.5 m，用于深孔封孔，一種封孔長度7.5 m，用于淺孔封孔。

3）封孔裝備

根據爆破鉆孔垂直灌漿封孔作業流量小、壓力高的特點，設計了一套封孔裝備，包括注漿設備和攪拌設備。

注漿設備采用2ZBQS25/6 型封孔泵，最大流量40 L/min，工作壓力0～11 MPa 可調，采用雙缸獨立設計，兩個吸排口能夠同時吸漿、同步出漿，使漿液按照1:1 混合，流量均勻。

攪拌設備采用連體攪拌桶，設計兩個單筒，單筒容量90 L，合計180 L，每個單筒內每次加料50 kg，加水60 kg，單次攪拌能夠滿足4～5 個爆破鉆孔封孔用量。

4）封孔工藝

連體攪拌桶兩個桶分別攪拌無機注漿爆破封孔材料A 料和B 料，水灰比1.2:1。攪拌均勻后，封孔泵兩根吸漿管分別吸入兩種漿液，加壓后排出兩種漿液，在孔口附近，使用三通混合器進行混合、注入孔內。當返漿管開始漏漿時，代表孔內已經注滿，停止注漿，換下一個孔繼續注漿。所有鉆孔集中安裝囊袋，集中制漿，集中封孔，可大幅提高效率，減少材料浪費。所有鉆孔封孔結束等待30 min 后，達到設計強度4 MPa 即可起爆。

3 高強混凝土墻體快速構筑技術

3.1 墻體參數設計

1）墻體

沿空留巷寬度4000 mm，柔?；炷翂w寬度1600 mm，高度4000 mm，墻體強度等級C40。

2）混凝土

采用自密實、快硬、早強、高強的礦用高性能混凝土。設計混凝土強度等級為C40。柔模澆筑加壓接頂時沒有石子配料，且墻體最上部受頂壓破壞最大，必須保證頂部混凝土強度與主體柔模強度一致，因此洗管砂料混凝土配合比按照2:1（水泥:砂料）的比例進行混合澆筑，確保柔模墻體頂部受力。

3）對拉錨栓

錨栓規格：桿體為超強熱處理左旋無縱肋螺紋鋼筋，BHRB500，桿體直徑22 mm，桿體長度1800 mm，桿體兩端都設有螺紋，桿尾螺紋公稱直徑為 24 mm，采用滾壓加工工藝成型，桿尾螺紋長度都為125 mm。錨栓托盤：柔模墻體上部兩排錨栓采用300 mm×300 mm×16 mm 高強度可調心托板，承載能力不低于400 kN，托盤加墊片（用廢舊皮帶加工，規格350 mm×350 mm）；其他錨栓采用拱形高強度托盤配合球形墊和減阻尼龍墊圈使用，托盤尺寸不低于150 mm×150 mm×10 mm，拱高度不低于36 mm，托盤承載能力大于23 t。

錨栓布置：每排布置5 根錨栓，間排距750 mm×750 mm，全部垂直于墻面安設。預緊力矩：墻體澆筑成型3 d 后通過扭矩扳手給錨栓施加300 N·m 的預緊扭矩。

4）鋼筋鋼帶

鋼帶形式：圓鋼焊接雙筋鋼帶，雙筋對焊，雙面焊接，長邊雙筋每100 mm 焊接一個點，焊長30 mm；短邊雙筋中間一個焊點，焊長20 mm；長邊和短邊之間的焊點大于30 mm。

鋼筋鋼帶：采用Φ14 mm 圓鋼焊接鋼筋托梁，鋼筋鋼帶寬度100 mm，橫向鋼筋鋼帶長度為4000 mm，豎向鋼筋鋼帶長度為3500 mm，鋼筋鋼帶限位孔間距為375 mm。

3.2 施工工藝

寺河煤礦柔?；炷裂乜樟粝锏闹饕┕きh節：1）配制干混料；2）物料投運；3）切頂爆破；4）圍護待澆筑空間和巷內臨時加強支護；5）掛設柔性模板；6）澆筑墻體。施工工藝如圖5。

圖5 柔?；炷裂乜樟粝锸┕すに?/p>

3.3 混凝土設備配套

1）地面干料制備站

采用干混料制備站在地面進行沿空留巷干混料制備，全自動一鍵操作，智能液晶顯示屏，設備電壓等級為380 V，設備功率88 kW，理論生產能力50 m3/h。

2）井下混凝土制備輸送站

采用柔?；炷林苽漭斔蜋C組進行巷旁支護體施工，設備型號為KTRHZSJ-50，生產能力為50 m3/h，輸送C50 混凝土時設備的理論輸送距離可達1000 m，實際最大可靠輸送距離為400 m，設備總功率220 kW，輸送管路為DN125 型高壓耐磨無縫鋼管。

3）沿空留巷專用支架

沿空留巷專用擋矸支架和端頭支架是為柔?；炷裂乜樟粝镩_發的專用設備。

擋矸支架具備支護、擋矸、自移、糾偏、適應工作面左右兩側巷道留巷等功能，該支架與工作面設備不連接，在采空區獨立自移。頂梁前端設有伸縮梁或翻轉梁臨時護頂機構，支架一側設有可拆卸式擋矸板，可滿足工作面左右兩側回采巷道沿空留巷擋矸要求。

4 實施效果

1）聚能藥包可在施工巷道內一次性制作完畢，然后集中整體推送進入爆破鉆孔?，F場26.5 m 孔深，單孔制作、裝藥時間約12 min，傳統裝藥時間40～50 min，僅為傳統裝藥方式的30%。

2）通過采用無機爆破封孔材料，集中安裝封孔裝置、集中制漿封孔?，F場26.5 m 孔深，單孔封孔時間僅4～5 min，傳統炮泥封孔方式需要40～50 min，為傳統炮泥封孔方式的10%；現場試驗沖孔率＜0.2%，遠小于炮泥封孔方式的5%；實現了封孔作業機械化，降低了勞動強度，大幅提高了爆破效率。

3）通過快速裝藥工藝和快速灌漿封孔工藝的實施，檢修班可以完成3 次爆破任務，每次爆破長度6 m，共計18 m，完全可以滿足工作面8 m/d 的推進速度。

4）每日回采進度8 m，柔膜充填袋設計寬度1.6 m、高度4 m、長度4 m，單個柔膜充填體積25.6 m3，每日需要完成2 個或3 個柔膜充填，最大充填方量76.8 m3。井下混凝土制備輸送站實際充填能力45 m3/h，每班實際充填時間約2 h，完全可以滿足要求。實測混凝土墻體強度達到38.6 MPa。

5）根據留巷變形監測結果，墻體整體并未出現壓碎現象，多以剪切、片幫為主，說明混凝土強度滿足要求。局部劈裂的墻體，有效支撐寬度為1300～1400 mm，滿足支護和密閉要求。變形主要集中在留巷后方250 m 以內，兩幫移近量約130 mm，頂板下沉量約80 mm，底鼓量約200 mm。工作面后方250 m 以后基本穩定，巷道不再變形，可滿足下一工作面正常復用要求。