煤礦爆破技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀梳理及展望

逄錦倫

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037;2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037)

隨著技術(shù)的發(fā)展,爆破技術(shù)在煤礦開(kāi)采過(guò)程的參與度越來(lái)越低。 炮采技術(shù)因其效率低逐漸被高效率的綜采技術(shù)取代,但在遇到地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時(shí)的巷道掘進(jìn)[1-4]或特殊地質(zhì)條件下的露天煤礦開(kāi)采[5-7]時(shí),機(jī)械化設(shè)備難以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),此時(shí)利用爆破掘進(jìn)或開(kāi)采技術(shù)則能起到優(yōu)于機(jī)械化掘進(jìn)的效果,因此,煤礦爆破技術(shù)在一段時(shí)期內(nèi)仍將發(fā)揮重要作用。

厘清煤礦爆破技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,對(duì)充分發(fā)揮煤礦爆破技術(shù)的優(yōu)勢(shì)具有重要意義。 鑒于此,筆者對(duì)煤礦爆破應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理,重點(diǎn)闡述相應(yīng)技術(shù)在煤礦爆破中應(yīng)用的特點(diǎn),并指出下一步的研究方向,旨在為相關(guān)煤礦從業(yè)人員選擇適宜的爆破技術(shù)提供參考。

1 煤礦井下爆破技術(shù)

1.1 巷道爆破掘進(jìn)

巖巷在爆破掘進(jìn)時(shí),常采用毫秒微差爆破技術(shù),將炮眼分組并按毫秒級(jí)的時(shí)間間隔順序起爆,可實(shí)現(xiàn)全斷面一次起爆。 使用毫秒延期雷管[8],以毫秒級(jí)時(shí)間間隔順序起爆相鄰藥包,各藥包的爆炸能量相互影響,爆破效果疊加,效果較好,同時(shí)可降低爆破振動(dòng)。

1)硬巖巷道爆破掘進(jìn)

硬巖巷道的巖石硬度系數(shù)f≥12,巖石過(guò)硬。掘進(jìn)爆破時(shí)只能使用爆炸威力相對(duì)較小的煤礦許用安全炸藥,同時(shí)雷管的總延遲時(shí)間≤130 ms。 掏槽是巷道爆破掘進(jìn)技術(shù)的難點(diǎn),主要采用楔形掏槽。 楔形掏槽的形式包括單楔形、雙楔形和三楔形;還可以采用中心孔加強(qiáng)往外拋?lái)返男问揭员阌诓垌敳繋r石掏出[9]。

2)中硬巖巷道爆破掘進(jìn)

中硬巖巷道的巖石硬度系數(shù)f=8 ～12。 巷道爆破掘進(jìn)采用以中深孔爆破和直眼掏槽爆破為主的控制爆破方法,單循環(huán)掘進(jìn)深度可達(dá)1.8 ～2.0 m?？刂瞥谑窍锏辣凭蜻M(jìn)技術(shù)的難點(diǎn),常采用光面爆破和預(yù)裂爆破技術(shù)控制超挖[9]。

①光面爆破技術(shù)。 將光面爆破與錨噴支護(hù)技術(shù)相結(jié)合,應(yīng)用于中硬巖巷道掘進(jìn)。 通過(guò)交錯(cuò)形式布置2 圈周邊眼,用內(nèi)圈周邊眼代替輔助眼;自下而上的順序起爆炮眼,交替連接內(nèi)外圈周邊眼,并裝設(shè)不同段數(shù)的雷管,使之交替起爆;采用反向起爆方式。

②預(yù)裂爆破技術(shù)。 周邊眼先起爆,預(yù)先提供沿?cái)嗝孑喞呢炌ㄆ屏衙?形成預(yù)裂面。 預(yù)裂爆破技術(shù)能保證圍巖的穩(wěn)定,不會(huì)受周邊炸藥爆炸的影響,以及其他炮眼的應(yīng)力作用,預(yù)裂爆破參數(shù)類(lèi)似于普通光面爆破的參數(shù)。

3)軟巖巷道爆破掘進(jìn)

軟巖巷道的巖石硬度系數(shù)f≤8,爆破掘進(jìn)技術(shù)和中硬巖巷道爆破掘進(jìn)條件下的技術(shù)類(lèi)似,主要采用中深孔光面爆破技術(shù)。 需采用低密度、低爆速、高效能炸藥并嚴(yán)格控制炸藥的裝藥量,選擇合理的光面爆破參數(shù)和光面爆破裝藥結(jié)構(gòu)[9]。

4)聚能爆破掘進(jìn)

普通爆破的爆轟產(chǎn)物會(huì)向炮孔的四周無(wú)規(guī)則飛散,產(chǎn)生的裂紋也隨之無(wú)規(guī)則擴(kuò)展。 而聚能爆破利用空穴效應(yīng),通過(guò)改變藥卷結(jié)構(gòu),使得爆轟產(chǎn)物向特定方向積聚,可加大在特定方向上的破壞作用。 在藥卷的兩側(cè)對(duì)稱位置設(shè)置聚能空穴,爆破產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物將沿此空穴的軸線方向積聚,形成一股高密度、高速度、高壓力的氣流,稱為聚能射流。如果在空穴上安裝紫銅材料制作的金屬罩,借助其密度大、可壓縮性小的特點(diǎn),爆破后能將爆炸能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能形成金屬聚能射流。 聚能射流在爆破孔邊緣切割出初始的導(dǎo)向切縫,為后續(xù)的爆炸應(yīng)力波以及爆生氣體進(jìn)一步擴(kuò)展裂隙起到定向的作用[10]。

聚能爆破技術(shù)可以使裂紋演化的能力在聚能方向上被提高,而非聚能方向上被有效降低,減小了支護(hù)圍巖被損傷破壞的程度;爆破效率、炮孔利用率皆被提高,爆破后形成的圍巖輪廓斷面較平整,超欠挖率有效降低。 在地質(zhì)構(gòu)造帶內(nèi)掘進(jìn)巷道時(shí),可有效抑制巷道圍巖失穩(wěn)或動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。

1.2 巖石松動(dòng)爆破

松動(dòng)爆破技術(shù)是利用爆炸能量破壞巖體內(nèi)部并發(fā)育大量裂隙使得巖體變得松動(dòng),但并不會(huì)發(fā)生碎石拋擲現(xiàn)象。 爆破后會(huì)以藥包為中心形成粉碎區(qū)、裂隙區(qū)、彈性振動(dòng)區(qū)3 個(gè)不同距離的破壞區(qū)域。對(duì)斷層巖體進(jìn)行預(yù)先松動(dòng)爆破,能夠確保煤層頂、底板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)綜采機(jī)順利、快速、安全高效地通過(guò)斷層,工作面的回采效率和煤炭資源采出率均會(huì)提高[11]。 對(duì)落差不太大的斷層,一般采用松動(dòng)爆破技術(shù)輔助綜采機(jī)強(qiáng)行推過(guò)斷層的方法,可選用煤礦許用水膠炸藥,1 ～5 段煤礦許用毫秒延期電雷管。

1.3 煤層泄壓爆破

通過(guò)鉆機(jī)將相變致裂裝置送至鉆孔中預(yù)先設(shè)定的位置,并將內(nèi)置導(dǎo)線與鉆孔外的起爆線相連。通過(guò)起爆器的起爆頭爆破,使得發(fā)熱管產(chǎn)生熱量,并使儲(chǔ)液管內(nèi)的液態(tài)二氧化碳能在20 ms 內(nèi)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài),體積瞬間膨脹為原來(lái)的600 余倍,氣體壓力急劇升高,最高可達(dá)270 MPa。 氣態(tài)二氧化碳的壓力上升并達(dá)到泄能片的額定工作壓力時(shí),泄能片在瞬間被沖破,氣態(tài)二氧化碳通過(guò)釋放筒上的定向孔高速向外釋放,對(duì)作用范圍內(nèi)的煤體施加巨大的沖擊力,使煤層中原有的裂隙進(jìn)一步被擴(kuò)大、貫通,有效改善了煤層的透氣性。 煤層的透氣性增大使得大量的瓦斯由吸附態(tài)解吸為游離態(tài),可以提高瓦斯抽采效率,煤層中的瓦斯大量被抽排可以實(shí)現(xiàn)煤層快速卸壓的目的[12-14]。

1.4 頂板爆破

1)液態(tài)二氧化碳相變致裂頂板

煤層中的堅(jiān)硬頂板極難垮落,可能造成工作面臨空側(cè)超前支護(hù)段巷道的嚴(yán)重變形,可通過(guò)液態(tài)二氧化碳致裂技術(shù)爆破致裂堅(jiān)硬頂板。 利用液態(tài)二氧化碳致裂堅(jiān)硬頂板,其最大的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的有毒有害氣體,不會(huì)產(chǎn)生構(gòu)造性破壞。

2)切頂爆破

受煤層采動(dòng)以及采場(chǎng)上覆巖層活動(dòng)的影響,特別是側(cè)向頂板巖層的破斷影響,回采巷道或護(hù)巷煤柱會(huì)發(fā)生較大變形。 通過(guò)布置合理的鉆孔,爆破應(yīng)力波和爆生氣體將鉆孔周?chē)鷰r體破碎,因產(chǎn)生大量貫通的裂隙則爆破區(qū)域頂板被局部弱化。 工作面回采后,頂板會(huì)沿爆破線斷裂[16],實(shí)現(xiàn)頂板安全管理。

2 常規(guī)露天煤礦爆破

2.1 常規(guī)露天煤礦爆破技術(shù)

露天煤礦爆破時(shí)炸藥的波阻抗應(yīng)與所爆破巖石的波阻抗相匹配[17]。

通過(guò)微差擠壓爆破,利用巖體間的擠壓作用提高爆破質(zhì)量。 微差擠壓爆破具有爆破量大、破碎塊度均勻、大塊率低的特點(diǎn),可提高電鏟采裝效率;爆堆集中,無(wú)須清理出臺(tái)階即可實(shí)現(xiàn)穿孔作業(yè)。

2.2 非構(gòu)造裂隙巖體條件下的露天煤礦爆破技術(shù)

根據(jù)爆破作用線核心理論[18],主要爆破作用區(qū)域內(nèi)的爆破巖體受節(jié)理、裂隙影響,區(qū)域內(nèi)炮孔連線為爆破作用線,該線上的炮孔都會(huì)受到多個(gè)鄰近炮孔先期爆炸形成的破裂面的影響,破裂面成為巖體內(nèi)的側(cè)向自由面。 爆破作用線上的炮孔產(chǎn)生的氣體在側(cè)向自由面產(chǎn)生的反射拉伸波將徑向拉應(yīng)力施加于后爆巖體,使其再次產(chǎn)生環(huán)向裂縫,可增強(qiáng)爆破效果,也可增強(qiáng)非構(gòu)造裂隙巖體的破碎作用。

3 結(jié)語(yǔ)及展望

通過(guò)調(diào)研并梳理了不同爆破技術(shù)適宜的應(yīng)用領(lǐng)域,結(jié)果表明:煤礦爆破技術(shù)應(yīng)用于不同硬度、不同地質(zhì)條件下巖巷的掘進(jìn)時(shí)可以彌補(bǔ)綜掘技術(shù)的不足,實(shí)現(xiàn)特殊條件下巖巷的快速炮掘;二氧化碳相變致裂技術(shù)應(yīng)用于煤層致裂、卸壓時(shí),可以實(shí)現(xiàn)煤層的增透,利于煤層氣的抽采;炸藥爆破或二氧化碳相變致裂技術(shù)應(yīng)用于頂板致裂時(shí),可以實(shí)現(xiàn)頂板的安全管理,利于巷道的維護(hù);煤礦爆破技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)及非構(gòu)造裂隙巖體條件下的露天煤礦開(kāi)采時(shí),可以實(shí)現(xiàn)較好的爆破與巖石拋擲效果,利于露天煤礦的開(kāi)采。

后續(xù)的研究可以聚焦于提升炸藥、電雷管等器材的安全性和可靠性,以滿足含瓦斯環(huán)境下炸藥爆破技術(shù)的應(yīng)用;提升二氧化碳相變致裂技術(shù)的安全性和操作性,降低其使用成本,以滿足含瓦斯環(huán)境下二氧化碳相變致裂技術(shù)的應(yīng)用。 隨著煤礦爆破技術(shù)的發(fā)展,其適用范圍還將擴(kuò)大,在未來(lái)一段時(shí)期仍將會(huì)發(fā)揮重要作用。