松動爆破技術(shù)在綜采工作面過斷層中的應(yīng)用試驗(yàn)

徐海峰,王德玲,林 飛

(中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

某礦一綜采工作面,煤層平均厚度3.5 m,煤層硬度系數(shù)2～5,煤層平均傾角10°,煤層頂板為砂巖、泥巖,底板為細(xì)砂巖,以石英、長石為主。該工作面回采推進(jìn)過程中遇到F12 正斷層,其產(chǎn)狀:傾向南西 300°、傾角 60°～70°、斷層落差 0～10 m；斷層影響范圍:走向長238 m、傾向長137 m,并向綜采機(jī)頭方向延伸。該斷層嚴(yán)重影響工作面安全推進(jìn)。

斷層是因地殼運(yùn)動使巖層或巖體破裂后,兩側(cè)巖層或巖體會有較明顯相對錯動的斷裂構(gòu)造。在綜采工作面回采過程中會經(jīng)常遇到斷層,如何高效、快速、安全地過斷層一直是個技術(shù)難題[1]。目前,國內(nèi)綜采工作面過斷層所采用的方法主要有:

1)對落差較小、影響范圍也較小的斷層,往往采用調(diào)整綜采機(jī)回采高度、回采層位的方法。

2)對落差較大的斷層,在采區(qū)設(shè)計(jì)或巷道布置與施工時設(shè)法避開。

3)對落差較大的斷層,如果在采區(qū)設(shè)計(jì)中難以規(guī)避的,通常采用另開切眼,跳采搬家的方法,但此法既耗時又費(fèi)力,會嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)與接續(xù)。

4)對落差不太大的斷層,一般采用爆破技術(shù)輔助綜采機(jī)強(qiáng)行推過斷層的方法[2]。

該綜采工作面斷層落差為0～10 m,擬采用爆破技術(shù)輔助綜采機(jī)強(qiáng)行推過斷層的方法。由于綜采工作面設(shè)備、設(shè)施較多,且距爆破點(diǎn)很近,爆破時應(yīng)特別注意綜采設(shè)備、設(shè)施的安全。一旦爆破飛石砸壞綜采設(shè)備、設(shè)施,不但影響工作面的正常安全生產(chǎn),而且會造成嚴(yán)重的直接經(jīng)濟(jì)損失。因此,在綜采工作面采用爆破作業(yè)時,采用松動爆破技術(shù),可以做到松而不飛。并且只需滿足爆后在巖體內(nèi)形成裂隙,保證綜采機(jī)切割時能正常工作即可。

1 巖石松動爆破技術(shù)原理

炸藥在巖體內(nèi)起爆后,巖體發(fā)生碎裂破壞,這是由于炸藥爆炸產(chǎn)生的能量通過爆炸沖擊波和爆生氣體兩種形式傳遞給了被爆巖體。爆炸沖擊波首先作用于巖體,使其產(chǎn)生裂隙,然后在一定程度上促使裂隙發(fā)展；隨后爆生氣體進(jìn)一步使裂隙發(fā)展并相互貫通,將巖體切割成彼此相對獨(dú)立的塊體。如果將巖體看作無限均勻介質(zhì)體,根據(jù)爆炸對巖體的破碎效果,以炸藥藥包為中心會形成三個不同距離的破壞區(qū)域,分別為粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性振動區(qū)。

松動爆破技術(shù)是利用炸藥爆炸時產(chǎn)生的能量使被爆巖體內(nèi)部發(fā)育大量裂隙而產(chǎn)生松動,但并不發(fā)生拋擲現(xiàn)象的爆破技術(shù)[3]。通過松動爆破技術(shù)對斷層巖體進(jìn)行預(yù)先松動處理,不但能夠保護(hù)煤層頂、底板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,而且實(shí)現(xiàn)了綜采機(jī)順利、快速、安全地通過斷層,提高了工作面回采效率和煤炭資源采出率。

2 松動爆破工藝參數(shù)

松動爆破工藝參數(shù)主要有爆破器材選擇、炮孔深度、炮孔間排距、單孔裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)、起爆網(wǎng)路等。

2.1 爆破器材選擇

所選用炸藥的性能對松動爆破效果影響較大,因此本次試驗(yàn)選擇安全性能較好、傳爆能力較強(qiáng)的煤礦許用水膠炸藥；雷管選擇煤礦許用毫秒延期電雷管1～5段；鉆機(jī)選擇氣腿式巖石風(fēng)動鑿巖機(jī),鉆頭為球齒型、十字型或一字型,直徑40 mm。

2.2 炮孔深度

炮孔深度首先考慮爆后巖石的松動效果,其次考慮鉆孔效率、施工設(shè)備和施工技術(shù)水平等因素,同時還要便于施工組織和管理[4]。若鉆孔太深,則因內(nèi)部夾制作用及地應(yīng)力作用造成松動效果太差,起不到應(yīng)有的作用；若鉆孔太淺,則爆破輔助作業(yè)時間占比太長,整體效率降低。

綜合考慮以上因素,每松動爆破一次,要滿足綜采機(jī)推進(jìn)刀數(shù)不小于3 刀(每刀截深0.8 m),即每次爆破松動深度不小于2.4 m,按炮孔利用率80%計(jì)算,確定炮孔深度為3.0 m。為了減少爆破施工對生產(chǎn)班的影響,確定在檢修班進(jìn)行鉆眼爆破。

2.3 炮孔間、排距

炮孔間、排距根據(jù)裂隙區(qū)的半徑來計(jì)算,為了使斷層巖石在爆破時能充分松動,炮孔間、排距不能超過爆破在巖體中產(chǎn)生的2 倍裂隙區(qū)半徑,否則巖石得不到充分松動,綜采機(jī)將無法進(jìn)行正常切割工作。由于松動爆破的裂隙是爆炸沖擊波和爆生氣體共同作用下形成的,根據(jù)爆轟理論和應(yīng)力波理論,松動爆破裂隙區(qū)半徑按公式(1)、(2)確定[5]:

式中:RP為裂隙區(qū)半徑；μ為泊松比,μ=0.2；α為應(yīng)力波衰減值,α= 2-μ/(1-μ)= 1.75；p為應(yīng)力波初始徑向應(yīng)力峰值；D1為三級煤礦許用水膠炸藥爆速,取 4 300 m/s；ρ0為裝藥密度,取 1 230 kg/m3；rc為裝藥半徑,藥卷直徑28 mm,rc=0.028/2=0.014 m；n為壓力增大倍數(shù),n=8～ 11,取n=10；rb為炮孔半徑,鉆頭直徑為40 mm,rb=0.040/2=0.020 m；St為巖石抗拉強(qiáng)度,取10 MPa。

將各參數(shù)值代入式(1)和式(2),計(jì)算得裂隙擴(kuò)展半徑為RP= 0.421 m。

因此,將炮孔間距、排距均設(shè)計(jì)為800 mm。按工作面綜采高度2.6 m 布置三排炮孔,其中頂孔距頂板0.6 m,向頂板方向上挑17°；中排孔垂直工作面；底孔距底板0.4 m,向底板方向下俯10°,炮孔布置如圖1所示。

圖1 炮孔布置示意圖

2.4 炮孔裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)

合理的炮孔裝藥量對松動爆破效果起著關(guān)鍵性的作用,因?yàn)檠b藥量的多少直接決定著巖體的破碎程度。裝藥量過少,巖體僅產(chǎn)生微小裂縫,而達(dá)不到預(yù)想的爆破效果；裝藥量過多,會產(chǎn)生較大的沖擊波,易產(chǎn)生爆破飛石對綜采機(jī)設(shè)備造成破壞。因此,選擇合理裝藥量應(yīng)根據(jù)爆破效果來進(jìn)行不斷優(yōu)化調(diào)整。

炮孔裝藥結(jié)構(gòu)分為耦合裝藥與不耦合裝藥兩種。不耦合系數(shù)的大小對爆破裂縫擴(kuò)展范圍也有著明顯的影響:耦合裝藥時,炮孔孔壁直接受到爆炸沖擊波的作用,炸藥產(chǎn)生的能量被大量損耗在巖石破碎上,造成粉碎區(qū)半徑過大,裂隙區(qū)半徑相應(yīng)較??；不耦合裝藥時,爆炸沖擊波首先會在炮孔孔壁上發(fā)生反射,在增加爆炸沖擊波作用時間的同時,也會削弱爆炸沖擊波的峰值,進(jìn)而減小粉碎區(qū)半徑,增大裂隙區(qū)半徑,對松動爆破的效果有一定好處[6]。因此,在松動爆破時,要選擇不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。

2.5 爆破網(wǎng)路

爆破網(wǎng)路采用微差爆破技術(shù),要使后起爆的炮孔能充分利用先起爆炮孔形成的自由面。每次可起爆30 個炮孔,既減少爆破次數(shù),又利于提高施工效率。將30 個炮孔電雷管串聯(lián)起爆,爆破網(wǎng)路如圖2所示(圖中數(shù)字為電雷管段別)。中排炮孔內(nèi)電雷管段別從中間向兩側(cè)依次為1段、1段、3段、3段、4段、4段,頂孔和底孔內(nèi)電雷管段別從中間向兩側(cè)依次為 2段、2段、4段、4段、5段、5段。這種起爆網(wǎng)路優(yōu)點(diǎn)在于:既在橫排以2 個炮孔為一組實(shí)施微差順序爆破,又在豎排3 個炮孔中也實(shí)施微差順序爆破,巖塊在爆破過程中相互碰撞和擠壓的作用增大,有利于提高松動爆破效果。

圖2 爆破網(wǎng)路示意圖

3 試驗(yàn)方案及效果比較分析

目前,該煤礦可提供兩種規(guī)格的三級煤礦許用水膠炸藥品種:藥卷直徑32 mm,長度30 cm,單卷質(zhì)量385 g；藥卷直徑28 mm,長度44 cm,單卷質(zhì)量295 g。因此,設(shè)計(jì)兩套試驗(yàn)方案,采用相同的孔網(wǎng)參數(shù)、起爆網(wǎng)路和基本相等炮孔裝藥量,對兩套試驗(yàn)方案進(jìn)行跟班試驗(yàn),并對爆破效果進(jìn)行比較分析,最終選擇最優(yōu)的試驗(yàn)方案。

方案一:選用藥卷直徑32 mm(粗藥卷),不耦合系數(shù)Kd為1.25,單孔裝藥量1 155 g(3 卷)。若采用孔底集中裝藥,封孔長度2 m 左右,封孔部位會出現(xiàn)大塊,甚至可能出現(xiàn)完全沒有松動現(xiàn)象。因此,采用分2段裝藥結(jié)構(gòu),即炮孔底部先裝2 卷炸藥,然后裝填黏土炮泥至距孔口1.2～1.5 m 時,再裝1 卷炸藥,最后用黏土炮泥堵滿嚴(yán)實(shí)。裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 方案一的裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

方案二:選用藥卷直徑28 mm(細(xì)藥卷),不耦合系數(shù)Kd為1.43,單孔裝藥量1 180 g(4 卷)。裝藥長度約為1.9 m,封孔長度為1.1 m。裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 方案二的裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

爆后經(jīng)檢查,方案一的爆破效果不理想,巖體裂隙發(fā)育較差,孔口有部分巖塊塌落,有個別飛石出現(xiàn),綜采機(jī)切割時有較多大塊且塊度不均。另外,由于采用2段裝藥結(jié)構(gòu),裝藥工序復(fù)雜且耗時長,對生產(chǎn)進(jìn)度也有較大的影響。

對于方案二,雖然在炮孔孔口封孔段巖石裂隙發(fā)育一般,但綜采機(jī)切割一刀后巖石開始出現(xiàn)明顯爆破裂隙,破碎的塊度較為均勻,大塊較少。爆破飛石很少或基本無飛石,有效地保護(hù)了綜采設(shè)備的安全。

通過爆后效果分析比較,試驗(yàn)方案一不論從裝藥工序繁簡程度,還是爆后效果都明顯不如試驗(yàn)方案二。因此,確定試驗(yàn)方案二為該礦區(qū)松動爆破輔助綜采工作過斷層的最優(yōu)方案。

4 結(jié)論

經(jīng)多次爆破試驗(yàn)證明,試驗(yàn)方案二中所選用的炮孔布置、炮孔裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆網(wǎng)路等參數(shù)設(shè)計(jì)比較合理,爆后的效果也比較理想,每次松動爆破后,綜采機(jī)均能順利切割三刀,有效地提高了綜采機(jī)回采速率,同時也極大地降低了綜采機(jī)刀具的損耗,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,達(dá)到了綜采機(jī)直接切割過斷層的目的。