多排孔微差松動(dòng)擠壓爆破陷落柱技術(shù)研究

劉維信，王勁翔，王其杰，孟慶新，平立芬，王士禮

(1.山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272063；2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

針對(duì)斷層或陷落柱構(gòu)造阻礙綜采工作面正常推采問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。馬立強(qiáng)等[1]在考慮斷層落差、工作面開采條件及支架穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)掘巷道群快速過(guò)斷層技術(shù)；韓磊等[2]利用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)弱化堅(jiān)硬陷落柱的強(qiáng)度和完整性；黃文堯、王紅浩等[3-5]優(yōu)化了爆破參數(shù)，改變炸藥性能，并結(jié)合數(shù)值模擬，開展了硬巖斷層深孔爆破技術(shù)試驗(yàn)；郭守泉等[6]采用在工作面以淺孔爆破和采煤機(jī)破巖相結(jié)合的方式推進(jìn)。

王樓煤礦27305綜采工作面是七采區(qū)第四個(gè)工作面，走向長(zhǎng)度861.8m，傾斜長(zhǎng)度172m，煤層厚度2.9～4.9m，屬于厚煤層，煤層傾角6°～14°，平均10°。工作面回采至183m，在采區(qū)中部揭露落差約3m、長(zhǎng)度約50m的陷落柱，巖性為灰白色細(xì)砂巖，中層節(jié)理，巖石堅(jiān)硬系數(shù)f=6。對(duì)于該堅(jiān)硬陷落柱構(gòu)造，采煤機(jī)切割困難，截齒消耗嚴(yán)重，推進(jìn)速度緩慢，嚴(yán)重影響工作面正常推采。

在前人研究的基礎(chǔ)上，以王樓煤礦27305綜采工作面為背景，期望提出合理、高效的爆破技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)工作面推采無(wú)需或少切割巖石，達(dá)到節(jié)約截齒、提高推采效率的目的。

1 爆破技術(shù)方案的提出

王樓煤礦所遇陷落柱落差3m，預(yù)掘巷道群影響正常推采，且會(huì)大量增加巷道掘進(jìn)及維護(hù)費(fèi)用；陷落柱位于采區(qū)中部，在回采巷道中采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，鉆孔過(guò)深精度難以控制；在工作面采用淺孔爆破效率低，且爆破循環(huán)進(jìn)尺小，爆破飛石不易控制。

傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)于王樓煤礦27305綜采工作面過(guò)陷落柱有諸多弊端，基于巖石爆破理論，結(jié)合工程地質(zhì)概況，提出了多排孔微差松動(dòng)擠壓爆破陷落柱技術(shù)方案，合理選取了孔深、炮孔間距、裝藥量、鉆孔角度等爆破參數(shù)，設(shè)計(jì)了鉆孔、裝藥封堵、起爆、爆破防護(hù)等施工工藝。

2 爆破方案設(shè)計(jì)影響因素分析

爆破方案采用多排孔微差松動(dòng)擠壓爆破技術(shù)，在設(shè)計(jì)中具有布孔方式、爆破參數(shù)和起爆方式3個(gè)關(guān)鍵的影響因素。

2.1 布孔方式

對(duì)于爆破法過(guò)斷層或陷落柱，炮孔的布置方式直接關(guān)系著工作面推進(jìn)的效率。多排孔微差松動(dòng)擠壓爆破技術(shù)采用“大孔距、小排距”的布孔方式。增大孔距，減慢了相鄰炮孔間連心線上的應(yīng)力疊加速度，使得炮孔周圍各點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度的時(shí)間大致相同，進(jìn)而使得裂隙均勻分布；同時(shí)，增大孔距可將由應(yīng)力波干涉作用形成的應(yīng)力減弱區(qū)移出爆破作用區(qū)外。多排孔微差松動(dòng)擠壓爆破時(shí)，最小抵抗線為炮孔到前排炮孔產(chǎn)生的臨空面的距離，方向朝向煤體或者巖層破碎帶，如圖1所示。減小排距，即減小抵抗線，使得爆破漏斗的破裂角增大，增加了對(duì)巖石的破碎作用；同時(shí)，減小排距使得爆破漏斗半徑大于標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗半徑，增大了后排炮孔的臨空面面積，炮孔夾制減少[7-9]。對(duì)于首爆掏槽區(qū)域，只有臨空面一個(gè)自由面，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。

圖1 抵抗線位置

2.2 爆破參數(shù)

爆破參數(shù)包括：孔深、炮孔間距、鉆孔角度、裝藥量等，其參數(shù)的不同取值直接影響著最后的爆破效果。炮孔的深度決定著爆破進(jìn)尺的大小；考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件，甄選合適的爆破進(jìn)尺，能有效提高工作面推進(jìn)效率。炮孔間距直接影響爆破后的裂隙分布密度，選取合理的炮孔間距使得各個(gè)炮孔的裂隙區(qū)半徑相交，整個(gè)工作面裂隙均勻分布，有效提高破碎效果。鉆孔角度對(duì)爆破拋擲作用的大小，矸石拋擲的方向有著很大影響；多排孔微差松動(dòng)擠壓爆破技術(shù)采用傾斜鉆孔增大了爆破的拋擲作用，調(diào)整了矸石的拋擲方向，使得后排炮孔爆破推動(dòng)前排爆堆，提高了爆破能量利用率，改善了矸石的破碎質(zhì)量，同時(shí)減輕了爆破飛石的危害。裝藥量代表著爆炸威力，直接影響最后的爆破效果；每個(gè)炮孔內(nèi)裝藥量需滿足炮孔周邊巖層破碎所要求的爆炸威力。

2.3 起爆方式

起爆方式包括：炮孔是否分段起爆，以及起爆順序等。起爆方式的差異影響著爆破效果，以及爆破產(chǎn)生的矸石量。多排孔微差松動(dòng)擠壓爆破技術(shù)采用分區(qū)域分組起爆方式。分區(qū)域起爆為相鄰若干排炮孔為同一起爆區(qū)域，前一起爆區(qū)域炮孔爆破后創(chuàng)造新的自由面和補(bǔ)償空間，利于后一起爆區(qū)域炮孔爆破。其中，緊鄰煤層或巖層破碎帶的巖層受巖石夾制作用較小，容易掏槽，作為第一起爆區(qū)域。同一區(qū)域設(shè)置由下向上起爆，創(chuàng)造補(bǔ)償空間使整個(gè)區(qū)域分層拉開，下層區(qū)域爆破后，上層區(qū)域在重力作用加持下更加容易破碎拋?lái)贰?/p>

綜上分析，爆破方案設(shè)計(jì)的各項(xiàng)影響因素關(guān)乎最后的爆破效果以及工作面推進(jìn)效率。因此，在爆破設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮各項(xiàng)影響因素，合理設(shè)計(jì)各項(xiàng)爆破參數(shù)，細(xì)化方案，以保證達(dá)到預(yù)期的爆破效果。

3 爆破方案參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 炮孔深度

每循環(huán)爆破進(jìn)尺與炮孔垂直深度有關(guān)，同時(shí)為方便工作面推進(jìn)，每循壞爆破進(jìn)尺應(yīng)與綜采工作面割煤機(jī)每循環(huán)正常推進(jìn)進(jìn)尺相等，或?yàn)槠湔稊?shù)。

式中，h為炮孔垂直深度，m；L為割煤機(jī)正常推進(jìn)進(jìn)尺，m；η為炮孔利用率；n為循環(huán)數(shù)，一般1≤n≤3。

現(xiàn)場(chǎng)采用“三八工作制”，兩班生產(chǎn)，一班檢修，割煤機(jī)每循環(huán)進(jìn)尺為0.8m，每天3個(gè)循環(huán)，日進(jìn)尺2.4m。因此，設(shè)計(jì)利用檢修班進(jìn)行爆破，炮孔垂直深度h為2.6m。

3.2 炮孔間距

松動(dòng)爆破主要利用各個(gè)炮孔爆破后形成的裂隙區(qū)，使其相互疊加貫穿，最終達(dá)到整個(gè)巖層破碎的效果[10-14]。通過(guò)計(jì)算爆破后的裂隙區(qū)半徑選用合適的炮孔的間距，以充分利用爆破后的應(yīng)力波作用。

其中，作用在孔壁上的初始沖擊力為：

式中，ρ0為炸藥的密度，kg/m3；D為炸藥的爆速，m/s；de、db分別為炸藥和炮眼的直徑，m；m為孔壁壓力增大因素，取8。

炮孔孔距a應(yīng)滿足a≤2R，排距b約為0.5～0.8a。

利用巖石和炸藥參數(shù)計(jì)算裂隙區(qū)半徑R取0.48m，具體參數(shù)見表1。因此，結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)孔距a為0.95m，排距b為0.6m，炮孔正面布置如圖2所示。首次爆破形成良好的補(bǔ)償空間是保證后續(xù)爆破成功的前提，因此，首爆掏槽區(qū)域炮孔數(shù)目應(yīng)加倍布置，首爆掏槽孔布置如圖3所示。

表1 計(jì)算參數(shù)表

圖2 炮孔正面布置圖(mm)

圖3 首爆掏槽孔布置圖(mm)

3.3 炮孔角度

炮孔角度θ需要合理，既要保證后排炮孔爆破推動(dòng)前排爆堆，創(chuàng)造新的自由面與巖石碎脹空間，又要避免產(chǎn)生過(guò)大的飛石拋擲，對(duì)支架等設(shè)備造成損害，其取值一般為55°～85°[15，16]。

結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，方案中設(shè)計(jì)普通爆破炮孔向下傾斜10°，與采區(qū)巖石作業(yè)面中線平行向下與臨空面夾角成80°角，首爆區(qū)域需加強(qiáng)拋擲作用，炮孔與臨空面所成角度應(yīng)較其他炮孔減小5°～15°，其中越靠近首排炮孔角度越小，炮孔剖面布置如圖4所示。

圖4 炮孔剖面布置圖(mm)

3.4 裝藥量

每個(gè)炮孔裝量與其所預(yù)期爆破的巖石體積有關(guān)：

Q=qabh

(4)

式中，q為單位炸藥消耗量，kg/m3；a為炮孔間距，m；b為炮孔排距，m；h為炮孔垂直深度，m。

斷層巖性主要為細(xì)砂巖，巖石堅(jiān)硬系數(shù)為6，炸藥單耗約為0.8～0.9kg/m3。因此，設(shè)計(jì)2.6m深炮孔每孔裝藥量為1.2kg。

爆破方案具體爆破參數(shù)見表2。整個(gè)爆破區(qū)域較長(zhǎng)，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，爆破施工時(shí)根據(jù)實(shí)際條件與前期爆破效果對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

表2 爆破參數(shù)匯總表

4 爆破試驗(yàn)

爆破方案中鉆孔角度取值參考于工程經(jīng)驗(yàn)，為驗(yàn)證該鉆孔角度于本工程是否取得較好爆破效果，設(shè)計(jì)不同鉆孔角度的現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)方案

共進(jìn)行4組爆破試驗(yàn)，每組試驗(yàn)分3個(gè)起爆區(qū)域，首爆區(qū)域鉆孔角度相同，其他起爆區(qū)域鉆孔角度分別為90°、80°和70°。所有炮孔孔深2.6m，孔徑32mm，孔距0.95m，排距0.6m。裝藥采用正向裝藥，每孔裝藥量為1.2kg，裝藥長(zhǎng)度1.6m。封堵采用炮泥和水炮泥間隔封堵，先封入0.25m炮泥，再封入0.5m水炮泥，剩余長(zhǎng)度用炮泥封滿。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

采用垂直鉆孔爆破時(shí)，爆破后留有殘眼，爆破進(jìn)尺約為2.1m左右，炮眼利用率低，爆破后存在較多40cm左右的大塊矸石，爆破效果較差。

采用80°鉆孔爆破時(shí)，爆破進(jìn)尺約為2.4m左右，達(dá)到預(yù)期爆破進(jìn)尺要求，爆破后矸石直徑小于30cm，大塊率低；巖石性質(zhì)主要為砂巖，碎脹系數(shù)約為1.4，不考慮拋擲作用矸石堆距臨空面理論最遠(yuǎn)距離約為0.96m，實(shí)際爆破后矸石堆距臨空面最遠(yuǎn)距離為1.08m左右，拋擲作用較小，爆破效果較好。

采用70°鉆孔爆破時(shí)，爆破進(jìn)尺約為2.4m左右，達(dá)到預(yù)期爆破進(jìn)尺要求，爆破后矸石直徑小于30cm，大塊率低，爆破后矸石堆距臨空面最遠(yuǎn)距離為1.42m左右，拋擲作用較大，多處防護(hù)網(wǎng)被爆破飛石擊穿，存在較大安全隱患；由于傾斜鉆孔，鉆孔角度為70°的炮孔實(shí)際長(zhǎng)度大于80°炮孔，爆破效果較之80°炮孔卻較差。

因此，鉆孔角度為80°時(shí)較為合理。具體試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 爆破試驗(yàn)結(jié)果表

5 爆破施工工藝

5.1 鉆孔工藝

為保證爆破質(zhì)量，炮孔施工過(guò)程必須滿足，定位準(zhǔn)、角度精、推進(jìn)穩(wěn)、炮孔齊四項(xiàng)要求；若存在工作面綜采設(shè)備安裝與鉆孔平行作業(yè)的情況，必須協(xié)調(diào)好安裝、拖運(yùn)及維護(hù)各個(gè)工序之間的有序銜接，確保交叉平行作業(yè)施工的安全；鉆孔施工完畢后，應(yīng)由組織專人驗(yàn)收(如利用多節(jié)導(dǎo)孔管嘗試探孔)，對(duì)不符合要求的鉆孔應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)鉆或擇點(diǎn)另行鉆孔；每一鉆孔完工后，須進(jìn)行探孔，發(fā)現(xiàn)炮孔內(nèi)巖渣，插入高壓風(fēng)管沖洗，并立即裝藥，防止在采動(dòng)壓力作用下發(fā)生塌孔現(xiàn)象。

5.2 裝藥封堵工藝

裝藥采用正向不耦合裝藥，選用炸藥為煤礦二級(jí)乳化炸藥，規(guī)格：直徑27mm，長(zhǎng)度200mm，質(zhì)量150g/個(gè)。

為保證穩(wěn)定的起爆和傳爆，相鄰藥卷利用包扎膠帶連接；最后一節(jié)藥卷作為炮頭，制作炮頭時(shí)，順著藥卷頂部中心插入電雷管，并用防水膠帶纏密實(shí)，電雷管爆破方向朝向孔底；裝藥完成后，使用炮棍頂住藥卷并推入炮孔中后，引出雷管腳線。

封堵采用炮泥與水泡泥交叉間隔封堵，先按爆破方案封堵設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的炮泥，用木棍搗實(shí)，再封堵設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的水炮泥，最后剩余長(zhǎng)度用炮泥封滿。裝藥封堵結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 裝藥封堵結(jié)構(gòu)

5.3 起爆順序

對(duì)爆破區(qū)域分區(qū)分組，緊鄰煤層或巖層破碎帶的炮孔為首爆掏槽區(qū)域，其余每4排炮孔為一組起爆區(qū)域。起爆順序?yàn)閺氖妆筒蹍^(qū)域遞推，每一組起爆區(qū)域增加一段雷管，共5段雷管，依次順序起爆，每次爆破5組起爆區(qū)域。

5.4 爆破防護(hù)工藝

每次進(jìn)行爆破作業(yè)對(duì)所爆破區(qū)段進(jìn)行立面防護(hù)(掛炮被、鐵絲網(wǎng))。首次爆破區(qū)域布孔數(shù)目多，炮孔與臨空面夾角小，應(yīng)在在原有炮被等立面防護(hù)基礎(chǔ)上對(duì)首次爆破區(qū)域加強(qiáng)防護(hù)，阻擋爆破飛石，防止危害。

6 結(jié) 論

1)針對(duì)綜采工作面過(guò)斷層或陷落柱問(wèn)題，提出多排孔微差松動(dòng)擠壓爆破技術(shù)方案，并分析了方案設(shè)計(jì)中的布孔方式、鉆孔角度、起爆方式等因素對(duì)爆破效果及工作面推進(jìn)效率的影響。

2)基于巖石爆破理論和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，給出了炮孔深度、炮孔間距、鉆孔角度、裝藥量等參數(shù)的選取和計(jì)算方法。

3)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，鉆孔角度分別為90°、80°和70°。試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆孔角度為80°時(shí)，爆破進(jìn)尺約為2.4m左右，達(dá)到預(yù)期爆破進(jìn)尺要求，爆破拋擲作用較小，矸石大塊率低，爆破效果較好，驗(yàn)證了爆破方案中鉆孔角度參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

4)以王樓煤礦27305綜采工作面過(guò)斷層為技術(shù)背景設(shè)計(jì)爆破方案，計(jì)算了各項(xiàng)爆破參數(shù)，提出了相關(guān)爆破施工工藝，取得了較好的爆破效果，實(shí)現(xiàn)工作面推采無(wú)需或少切割巖石，達(dá)到節(jié)約截齒、提高了推采效率的目的。