大傾角煤層無人工作面深孔爆破技術(shù)研究

韓 亮，劉聚友，彭 瑞

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 101601；2.陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721505)

為解決部分礦區(qū)局部大傾角煤層回收問題，提出一種大傾角煤層無人工作面開采工藝。該工藝是在工作面下區(qū)段平巷端頭實體煤幫布置鉆孔，平行于工作面打眼爆破，現(xiàn)場人員不進入工作面，工作面內(nèi)不設(shè)支護，煤體爆落后，經(jīng)引煤裝置扒落至下區(qū)段平巷，完成資源的開采。上述環(huán)節(jié)中，深孔爆破落煤是整個工藝的關(guān)鍵，爆破效果及施工效率將直接影響現(xiàn)場的開采能力。然而在實際爆破時發(fā)現(xiàn)，利用傳統(tǒng)的深孔爆破技術(shù)[1-6]，鉆孔精度低、裝藥速度慢、裝藥難度大，現(xiàn)場操作不當(dāng)極易造成斷孔、廢孔，處理起來費時費力，施工效率無法滿足生產(chǎn)要求。為保證生產(chǎn)順利進行，必須對大傾角煤層深孔爆破技術(shù)進行針對性研究。

1 提高鉆孔精度

1.1 鉆孔偏差原因

鉆孔精度決定了爆破參數(shù)能否準(zhǔn)確按設(shè)計布置，一般來說，衡量鉆孔精度的指標(biāo)主要有兩個方面：一方面是鉆孔軌跡與設(shè)計的偏差，另一方面是鉆孔深度與設(shè)計的偏差。

1) 造成鉆孔軌跡偏差的原因。①現(xiàn)場地質(zhì)條件。大傾角煤層中鉆孔，煤體厚度、硬度、交界面情況、構(gòu)造等均會對鉆孔軌跡造成影響。地層的非均勻性將導(dǎo)致鉆頭在鉆進過程中不平衡受力，鉆頭傾向于受力較小的一側(cè)鉆進。此外，均勻地層中，硬度大、完整性好的地層對鉆頭的約束作用更強，鉆孔精度也更高。②設(shè)計鉆孔的深徑比。深徑比指鉆孔深度與孔徑的比值，深徑比越大，鉆孔軌跡偏移量也越大。這是因為鉆孔深度越大，孔徑越小，鉆桿的截面抗彎剛度也越小，鉆進過程中鉆桿的撓曲位移也越大。③工人操作水平。取決于工人操作的熟練程度，如鉆機架設(shè)、孔位校正、鉆桿接頭安裝，以及鉆孔偏斜后的處理等。

2) 造成鉆孔深度偏差的原因。鉆孔深度偏差主要表現(xiàn)在實際深度小于設(shè)計深度，主要受鉆機功率和扭矩的影響。

1.2 鉆孔糾偏

1) 合理布置炮孔。根據(jù)計算得到孔網(wǎng)參數(shù)布置炮孔時，需對煤層條件進行綜合考量，若遇夾矸層、構(gòu)造帶等地層變化區(qū)時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整孔位。

2) 合理設(shè)計孔徑及孔深。深徑比越小，鉆孔偏差越小。一般來講，炮孔深度大，孔徑也大。深孔爆破孔徑一般在75 mm以上，但對于爆破塊度要求較高的煤體崩落爆破，孔徑應(yīng)適當(dāng)減小，此時就需要相應(yīng)減小炮孔深度。以本項目為例，孔徑選擇42～50 mm，孔深則控制在30 m以內(nèi)。

3) 合理選擇鉆機。鉆機功率與扭矩應(yīng)當(dāng)與孔深和孔徑相匹配，對于孔深為10～15 m的鉆孔，可選擇輕型氣動手持式鉆機；孔深超過15 m，應(yīng)改用帶有鉆架和給進機構(gòu)的鉆機；孔深超過50 m，應(yīng)選擇全液壓鉆機[7]。

4) 強化現(xiàn)場操作培訓(xùn)。定期對現(xiàn)場工人進行培訓(xùn)，尤其在新鉆機、新工藝交接前。由于鉆孔位于下區(qū)段平巷端頭處，鉆孔前，需對底板進行適當(dāng)臥底，鉆機應(yīng)架設(shè)牢固，孔深較大時，還應(yīng)加配鉆孔定位器、激光定向儀等糾偏裝置。

2 防塌孔措施

2.1 塌孔原因

傳統(tǒng)的深孔爆破技術(shù)多應(yīng)用于切頂、預(yù)抽瓦斯等巖體爆破，由于巖體完整性好、強度高，鉆孔后孔壁內(nèi)巖體可在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定，不發(fā)生塌孔現(xiàn)象。但在煤層中鉆孔時，煤體完整性差、強度低、裂隙構(gòu)造發(fā)育，突出煤層或沖擊地壓煤層中應(yīng)力集中系數(shù)較高，鉆進將導(dǎo)致鉆孔上方煤體失穩(wěn)，出現(xiàn)塌孔、掉渣等現(xiàn)象。即使成孔質(zhì)量較好，在礦山壓力作用下，穩(wěn)定時間也很難滿足裝藥所需的最短時間。裝藥時，常因炮孔堵塞而造成藥卷裝入困難、裝藥中斷，甚至壓斷傳爆器材，出現(xiàn)盲炮、瞎炮等爆破事故。

2.2 塌孔預(yù)防措施

目前常用的處理塌孔的方法包括反復(fù)掃孔、注漿、采用三棱鉆桿配合小直徑鉆頭鉆進等[8]，但上述方法耗時、費力，對于整體性、強度尚可的煤層，既不經(jīng)濟也不實用。

本項目實施過程中，煤體普氏系數(shù)約為2，裂隙中等發(fā)育，成孔后孔壁有一定自穩(wěn)時間。因此可考慮采用一定強度的管材對孔壁進行支撐。根據(jù)炮孔直徑選擇Φ40或Φ50的PVC管作為套管，由于PVC管具有一定的柔性，可滿足井下現(xiàn)場切割的需要，通過人工送入炮孔。為保證炮孔質(zhì)量，一個鉆孔施工完畢后，應(yīng)立即送入套管，送進過程可配合掃風(fēng)等工序。在套管的保護下，孔壁穩(wěn)定時間大大延長，同時也保證了孔壁的連續(xù)、光滑，為后續(xù)裝藥創(chuàng)造了有利條件。該方法在現(xiàn)場使用過程中，效果良好，極大減少了由于塌孔而導(dǎo)致的斷孔、廢孔。

3 深孔裝藥工藝

3.1 深孔裝藥難點

深孔爆破裝藥工藝可分為機械裝藥與手工裝藥兩種。機械裝藥多用于露天礦開采或金屬礦開采，目前已研發(fā)了多種型號的裝藥車及風(fēng)動裝藥器。裝藥車可分為單一裝藥功能的裝藥車和集炸藥原料運輸、炸藥混制、炸藥填裝三項功能于一體的混裝車；風(fēng)動裝藥器則是利用風(fēng)壓通過防靜電導(dǎo)管將炸藥壓入炮孔的裝藥設(shè)備。機械裝藥具有快速、高效、裝藥質(zhì)量好的特點，由于煤礦井工開采中涉及到的深孔上行裝藥情況較少，因此機械裝藥還未大規(guī)模采用。

手工裝藥則是通過人工將炸藥逐卷送入炮孔，再利用炮棍將炸藥壓入孔底?，F(xiàn)場操作中，隨著炮孔深度的增加，裝藥難度也逐漸增大，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1) 藥包卡塞。煤礦井工開采所使用的炸藥均為柔性藥卷，在藥包送入炮孔過程中，會受到孔內(nèi)煤巖渣、凹凸孔壁的阻擋，由于炮孔不光滑，藥包很容易在孔內(nèi)卡塞。本項目中，已通過炮孔內(nèi)壓入套管解決該問題。

2) 藥包重量大導(dǎo)致送入困難。深孔爆破時，炮孔通常較深，考慮到鉆孔吐粉，本項目裝藥孔盡量設(shè)置在下區(qū)段平巷，因此，裝藥過程中隨著藥包的增加，重量也越來越大，藥包在套管中容易下滑，無法固定，給藥包的送入帶來很大困難，導(dǎo)致孔底附近的藥包常常無法安設(shè)到位。

3) 無法實現(xiàn)不連續(xù)裝藥。孔徑較大時，為滿足炸藥能量在煤體內(nèi)均勻分布，或者部分炮孔的裝藥參數(shù)調(diào)整時，常常采用不連續(xù)裝藥方式，對于上行裝藥的深孔而言很難實現(xiàn)。

3.2 上行裝藥爆破筒設(shè)計

為解決深孔上行裝藥難題，本項目設(shè)計了一種能夠滿足藥包在炮孔內(nèi)自穩(wěn)的裝藥爆破筒,如圖1所示。

圖1 上行裝藥爆破筒設(shè)計示意圖

爆破筒采用PVC管材加工而成，其直徑與炮孔或套管直徑相匹配，單節(jié)長度應(yīng)能裝入2卷炸藥(800 mm，根據(jù)現(xiàn)場試驗確定，綜合考慮鉆桿長度，太長易在折點發(fā)生堵塞)。爆破筒上端封口，下端敞口，封口中心開一個小孔，以便傳爆引線出入。兩端分別車內(nèi)外螺紋，方便爆破筒聯(lián)接。爆破筒外部根據(jù)實際情況安設(shè)一定數(shù)量的倒刺。

裝藥前，鉆孔已壓入套管，因此可保證孔壁光滑無異物，裝藥時按設(shè)計藥量將藥包裝入爆破筒，在孔口通過炮棍將其依次頂入孔內(nèi)，在倒刺的作用下，前部藥包可在孔內(nèi)自固定，同時通過螺紋聯(lián)接將新送爆破筒吊起，大大減輕了孔口裝藥人員的裝藥難度。爆破筒外部倒刺可根據(jù)炸藥重量間隔設(shè)置。當(dāng)裝藥方式為不連續(xù)裝藥時，可根據(jù)裝藥結(jié)構(gòu)圖在不連續(xù)位置接入空爆破筒即可。

現(xiàn)場應(yīng)用過程中，在壓入套管后，爆破筒裝藥效率大幅提高，同時由于減輕了孔口藥包重量，炮棍剛度較之前也可降低，可采用具有一定柔性、質(zhì)量較輕的材質(zhì)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 試驗工作面深孔爆破設(shè)計

試驗工作面設(shè)計走向長461.5 m，斜長約30 m，煤厚4～4.5 m，主采9號煤層，煤層傾角為30°，節(jié)理裂隙不發(fā)育，分上分層和下分層，中部為砂巖夾矸，厚0.15～0.60 m，上分層厚度平均1.2 m，煤層有益厚度3.50 m，總體厚度4.25 m。

根據(jù)計算得到的爆破參數(shù)，同時考慮爆后松散煤體不至于充滿巷道導(dǎo)致放煤或通風(fēng)不暢，試驗初期，沿煤層走向單次爆破循環(huán)距離暫定1 m。從鉆孔準(zhǔn)確性及裝藥難易程度上考慮，炮孔布置方案為：從上區(qū)段及下區(qū)段平巷分別向各自實體煤側(cè)打?qū)Υ┡诳?，上下區(qū)段平巷同時起爆。爆破設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 裝藥量計算參考值

圖2為上下區(qū)段平巷沿煤層傾向炮孔布置圖。上下區(qū)段平巷各布置3個炮孔，由表1可知孔距為1.2 m。為避免爆破對頂板的破壞，同時考慮到底板的夾制作用，按照最上方炮孔與頂板距離不小于1.2 m，最下方炮孔與底板距離不大于1 m進行設(shè)計。已知煤層傾角為30°，通過余弦定理可確定炮孔在煤壁縱向的位置。

圖2 上下區(qū)段平巷沿煤層傾向炮孔布置圖

圖3為下區(qū)段平巷沿煤層走向炮孔布置圖。由表1可知抵抗線為1 m，由此可確定炮孔與工作面煤壁的距離。上區(qū)段平巷類比即可。

圖3 下區(qū)段平巷沿煤層走向炮孔布置圖

4.2 深孔爆破技術(shù)應(yīng)用效果

1) 鉆孔糾偏。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)素描圖，在炮孔設(shè)計時，有意避開夾矸層；考慮到鉆孔直徑為42 mm，盡量減小孔深，最終確定上下區(qū)段平巷同時鉆孔，孔深控制在15 m；鉆機選用ZQJL-802.0S氣動架柱式鉆機，功率及扭矩完全滿足現(xiàn)場要求；施工前對現(xiàn)場進行技術(shù)交底，對操作人員進行培訓(xùn)，對鉆孔情況實施閉合跟蹤。采取針對性措施后，現(xiàn)場鉆孔效率由之前5 h/孔提高至2.67 h/孔，根據(jù)裝藥效率及爆破后剩余煤體情況反饋，鉆孔基本順直，成空質(zhì)量大幅提高。

2) 防塌孔。采用防靜電PPR管材作為套管，外徑40 mm，內(nèi)徑約32 mm，此管材具有合適的剛度和柔性，適于彎曲便于井下運輸。鉆孔施工完畢后，立即將套管送入鉆孔，并配合掃風(fēng)、清孔等相關(guān)工作，孔外留設(shè)20 cm截斷。從現(xiàn)場使用情況來看，人工送入套管簡單、易行，現(xiàn)場裝藥過程中，各鉆孔光滑連續(xù)，未發(fā)現(xiàn)一例塌孔情況。

3) 深孔裝藥。根據(jù)爆破設(shè)計，現(xiàn)場為連續(xù)裝藥，單孔藥量為9.6 kg，使用的T-320水膠炸藥藥卷長度為400 mm，單卷質(zhì)量0.32 kg，即每孔需裝藥卷30卷。上區(qū)段平巷炮孔裝藥相對容易，下區(qū)段平巷炮孔裝藥難度較大。在不使用輔助工具情況下，當(dāng)裝至20卷藥卷時，隨著藥卷重量的增加，裝藥效率顯著降低。此時，可裝入設(shè)計好的爆破筒，在倒刺的支撐作用下，爆破筒可承擔(dān)上覆藥卷的重量，此后，根據(jù)裝藥難易程度可每隔一定藥卷安設(shè)爆破筒，遞進裝藥，也可以對剩余藥卷全部使用爆破筒裝藥。從現(xiàn)場裝藥情況來看，采用爆破筒輔助裝藥后，裝藥難度大為降低，效率顯著提高。

5 結(jié) 論

1) 通過現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)研究了大傾角煤層無人工作面深孔爆破技術(shù)，提出了包含鉆孔糾偏、防塌孔及深孔裝藥的成套工藝。

2) 經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，大傾角煤層無人工作面深孔爆破技術(shù)可有效提高爆破施工進度，大大減小了實際執(zhí)行過程中與原設(shè)計間的偏差，對于大傾角煤層無人工作面開采工藝起到了積極的推動作用。