综采面坚硬煤体爆破和注水预处理试验

　　红会一矿开采侏罗纪特厚煤层，由于煤质坚硬致密、韧性大、节理裂隙不够发育，采煤机割煤十分困难，造成割煤速度慢、截齿消耗量高、采煤机事故频繁、工作面煤尘浓度大、机组司机不易操作控制，同时也使推溜移架难度增大。煤层坚硬难割一直是制约该矿综采产量和效益的一个突出难题。曾试用煤壁浅孔松动爆破、煤壁浅孔动压注水、两道超前深孔注水软化等措施来解决采煤机割煤难问题，但煤壁浅孔松动爆破对工作面正常采煤工序干扰很大，注水由于煤质致密难注效果不明显。从1996年开始，在综采工作面试验、研究超前工作面煤壁，将深孔爆破与动压注水结合起来对坚硬煤体进行预先弱化处理。经过大量的工艺性、安全性研究试验及井下现场试验测试，在1209^－1综采面小规模试验取得明显效果后，从1997年7月开始已在1502^－1综采工作面全面采用该方法，试验范围已超过800m，试验达到预期目的。试验研究表明超前深孔爆破和动压注水相结合的方法是解决坚硬煤层采煤机难割问题的一种安全、有效的新技术。

1　试验工作面开采技术条件

　　1502^－1综采工作面位于红会一矿一号井五采区一区段顶分层，区段内煤层厚度12.47～20.72m，煤层倾角4～9°，煤体抗压强度17～38MPa、抗拉强度1.38～1.52MPa，煤层结构较简单，节理裂隙不够发育、裂隙线间距一般为20～45cm，煤层埋深300m左右。1502^－1工作面采高3.0m、斜长145.5m、走向长度880m。矿井水文条件简单，煤层自然发火期4～6个月，煤尘有爆炸危险，属低沼气矿井。煤层伪顶为厚度0.3m左右的铝质泥岩，直接顶为厚度6～15m的灰白色粉砂岩和含砾砂岩，稳定性较好，老顶为厚度5.05～12m的粗砂岩。工作面初次来压步距30m，周期来压步距10～14m。
　　工作面巷道布置采用岩石集中巷分期分段从材料斜巷超前掘进分层运输平巷和回风平巷。工作面运输平巷和回风平巷采用11^＃工字钢棚支护段的净断面分别为10.74m²和7.7m²，采用锚网支护段的净断面分别为11.2m²和7.3m²。
　　工作面使用的主要设备为：AM500／3.5型采煤机(装机功率750kW)，SGZC-730／320型框架式刮板输送机，BC7C-400-17／35型液压支架。采煤机采用端头斜切进刀留三角煤单向下行割煤方式。

2　爆破和注水工艺方案和参数

2.1　超前深孔爆破与动压注水作用基本原理
　　综采工作面超前深孔爆破与动压注水相结合来预先弱化处理坚硬煤体的基本原理就是从工作面前方煤体运动、变形、破坏及割落的全过程出发，首先通过超前深孔爆破在煤体中形成爆破裂隙区，紧接着通过爆前布设的注水孔的动压注水，以“水刃效应”为主使爆破产生的裂隙及煤体中原有的裂隙进一步扩展，增大裂隙密度和范围。爆破产生的裂隙有利于注水时水的渗透和扩散，提高了注水效果。爆破和注水也在煤体中引起一次应力集中。随着工作面推进，回采引起的大范围应力集中——工作面前方支承压力与爆破和注水引起的一次应力集中迭加，使孔间煤体中的应力进一步升高，爆破和注水形成的松动区为煤体在支承压力作用下发生更大的变形破坏提供了一定的位移补偿空间。超前爆破和注水不但直接松动和软化了煤体，更重要的是为充分发挥矿山压力的酥煤作用创造了有利条件。通过合理选择爆破和注水工艺参数，可使爆破、注水、矿压的综合酥煤效果达到最佳，使煤体到达煤壁附近时的截割难度大幅度下降，保证采煤机快速正常运行。

2.2　工艺方案和参数
　　根据工作面巷道布置和回采工艺，以及现场试验数据和理论分析计算，系统考虑爆破、注水、矿压综合破煤作用及采煤机性能特点，采用从工作面两道布设钻孔进行超前爆破和动压注水，钻孔布置如图1所示。炮孔间距6m，两装药孔间布设一个注水孔，孔径均为65mm，回风平巷内的俯孔深68m，运输平巷内的仰孔深55m，钻孔坡度与工作面坡度一致，钻孔距工作面顶板2.0m。

图1　钻孔布置示意

　　钻孔爆破使用2^＃煤矿抗水炸药，特制成直径50mm、长500mm的药卷，每卷重1.0kg。封堵炮孔长度12m，采用直径50mm、长500mm的专用纸袋装入较潮湿的黄土和砂子后封堵。孔口1m先不装填黄土，等装好雷管后再封。采用不偶合连续装药结构，电雷管和煤矿安全导爆索正向起爆，每次起爆1～2个装药孔。受施工工艺条件和导爆索长度限制，单孔装药深度50m，每孔装药量76kg。
　　注水孔在其相邻的两个装药孔都爆破后开始进行动压注水。注水泵压7～12MPa，每孔注水量不小于25m³，注水分2～3轮进行，单孔注水总时间不小于6h。
　　钻孔、装药、爆破及注水等工作始终超前工作面煤壁50m以上。

3　试验效果

　　1997年5月在1209^－1综采工作面回风平巷先进行了70m范围共25个钻孔的小规模试验。根据工作面现场观测，从60^＃支架至92^＃支架段，煤壁上垂直裂缝最大长度3m，炮孔上下约1.0m的煤体明显比较破碎疏松，工作面顶板完整，煤壁上可见水珠，煤体湿润。采煤机在该段割煤时阻力明显减小，割煤速度提高近1倍，机前10m处的煤尘浓度下降60%以上，机组司机的工作环境得到了改善。
　　从1997年7月开始，在1502^－1综采面回风平巷和运输平巷内距开切眼40m开始布设钻孔进行超前爆破和注水，到1998年10月全工作面范围已处理完毕。根据1997年12月至1998年8月份的现场观测，在未进行预处理段，煤壁上采煤机截齿割痕呈半圆弧状整齐排列，煤壁上无片帮现象发生，采煤机割煤速度一般为1.5～2.0m／min，割煤过程经常发生飘刀及机身抖动现象，截齿消耗量150个／万t左右，割煤时机前10m处的煤尘浓度600mg/m³左右。在进行了预处理段，工作面煤壁中部约1.0～1.2m高度范围无割痕，煤体疏松容易割落，煤壁上常发生煤体片落，片帮深度在0.5～0.7m之间，片帮高度最大为1.2m。采煤机在工作面上、下段割煤速度为2.5～3.0m／min，割煤时机前10m处煤尘浓度降到150～200mg/m³，截齿消耗量降到60个／万t左右，采煤机牵引部、摇臂及滚筒的机械故障大幅度下降。
　　1209^－1、1502^－1工作面的试验研究结果证明，超前深孔爆破和动压注水相结合来预处理坚硬煤体是促进坚硬煤层综采面产量效率提高的一种可行的安全、有效的新技术。

作者简介　索永录　1960年生，副教授。1987年从西安矿业学院采矿系研究生毕业，获硕士学位。毕业后一直在西安矿业学院采矿系从事采矿工程和系统工程的教学和科研工作，发表学术论文30篇。地址：陕西省西安市雁塔路14号，邮码：710054。
作者单位：索永录　西安矿业学院
　　　　　李德玺　甘肃靖远矿务局红会一矿