綜采工作面過陷落柱預(yù)裂爆破方案的優(yōu)化研究

湯景明

（山西潞安集團蒲縣開拓煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

1 概況

開拓煤業(yè)3105綜采工作面采用傾斜長壁后退式采煤法采煤，全部垮落法管理頂板。綜采面的走向長度259 m，推進長度1933 m，煤層平均采高為2.4 m?；卷敒橹辛Ｉ皫r，平均厚度為8.91 m；直接頂為泥巖，平均厚度7.06 m；直接底為粗粒砂巖，平均厚度3.95 m；基本底為細(xì)砂巖和泥巖的混合結(jié)構(gòu)，平均厚度為9.7 m。該工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，整體呈寬緩的褶曲構(gòu)造，軸線方向北西-南東，煤層傾向整體為西北高，東南低，傾角平均為3°，在巷道掘進過程中揭露3條斷層和一個陷落柱。

在綜采面推進到陷落柱區(qū)域時，發(fā)現(xiàn)陷落柱和綜采面有約50.2 m的重合區(qū)域，而且陷落柱以白砂巖發(fā)育為主，巖性硬度極高，采用現(xiàn)有的淺孔爆破方案效率低，采煤機截齒磨損嚴(yán)重，掘進效率低下，無法滿足綜采效率和安全性的需求。為此，提出了一種新的深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，通過組合式擴裂彈體和鋁合金裝置儲藥器相結(jié)合的方式，提升了預(yù)裂爆破的效率和爆破效果，對提高效率和安全性具有十分重要的意義。

2 彈體及裝藥器優(yōu)化

3105綜采面的陷落柱為白砂巖發(fā)育，硬度極高，在進行深孔炮眼設(shè)置時內(nèi)部會產(chǎn)生一定的塌方，而且鉆孔完成后在鉆孔內(nèi)部存在大量的巖粉，難以徹底清除，因此在采用傳統(tǒng)的乳化炸藥裝藥時，由于其柔性較大，很難將爆破藥送到爆破孔底部，會導(dǎo)致藥包變形和不連續(xù)，影響實際的爆破效果[1]。針對該情況，提出了一種新的組合裝配式擴裂彈體，其整體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 裝配式擴裂彈體示意圖

由圖1可知，該組合式擴裂彈體端部呈現(xiàn)圓錐狀，用于引導(dǎo)彈體順利穿過爆破孔內(nèi)的不光滑和不規(guī)則區(qū)域，不同的彈體之間通過螺紋絲扣連接，既保證了整體的柔性，又保證了在回拉時的結(jié)構(gòu)強度，使在裝藥過程中各個藥包的間距恒定，有效避免了藥包間距過大導(dǎo)致拒爆現(xiàn)象。

彈體的材料進行選擇時要考慮防潮性、結(jié)構(gòu)強度等，經(jīng)過對多種材料的驗證，選擇了PVC材料[2]，其具有較好的阻燃性和抗潮性，化學(xué)穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)井下深孔爆破的要求。根據(jù)爆破孔的尺寸要求，該彈體的直徑設(shè)置為63 mm，各段長度為0.25 m，在使用時一般將4段組合為一個整體，總裝藥量設(shè)置為3 kg。

由于爆破孔內(nèi)壁粗糙度高，在裝藥時需要有足夠的強度，為便于裝配方便還需要儲藥器具有輕量化的特點。對多種材料進行分析后，選擇了鋁合金材料來制作儲藥器，屈服強度約為190 MPa，其抗拉強度為253 MPa，滿足在爆破孔內(nèi)穿行時克服摩擦力的需求。同時，為了滿足對爆破孔內(nèi)進行吹洗的需求，在連接件上采用了中空的設(shè)計結(jié)構(gòu)。該儲藥器整體結(jié)構(gòu)如圖2[3]。

圖2 儲藥器裝配結(jié)構(gòu)示意圖

3 爆破參數(shù)

為了對不同裝藥半徑下的爆破效果進行分析，設(shè)置了6組不同裝藥半徑（25 mm，30 mm，35 mm，40 mm，45 mm，50 mm）的藥柱，其爆破后的裂隙半徑分布見表1。

表1 裝藥半徑和裂隙半徑對照表

由實際爆破效果可知，爆破后的裂隙半徑隨著裝藥半徑的增加而增大，且其裂隙半徑和裝藥半徑呈現(xiàn)近似線性相關(guān)，由此可以推導(dǎo)出線性相關(guān)公式：

y=31.143x+2.714R2

式中：y為爆破后的裂隙半徑，mm；x為裝藥半徑，mm；R為裝藥半徑因變量，取0.994。

由此可推導(dǎo)出在不同爆破裝藥量情況下的裂隙區(qū)范圍，為井下實際設(shè)置爆破方案提供理論支撐，實現(xiàn)爆破參數(shù)的快速選擇。

4 爆破作業(yè)

根據(jù)綜采面的實際情況，在進行爆破孔設(shè)置時，從距離陷落柱側(cè)邊10 m開始，順著綜采面進行布置，每個爆破孔之間的間距設(shè)置為2.5 m，爆破孔的深度在5 m以上。為了保證爆破的安全性，在所有爆破孔內(nèi)一次設(shè)置的爆破藥的量不大于190 kg，炮孔內(nèi)設(shè)置炸藥時全部采用正向裝藥結(jié)構(gòu)，所有爆破藥之間采用串行的方式進行爆破[4]，炮孔布置結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 井下爆破控制布置結(jié)構(gòu)示意圖（m）

炮孔封孔炮泥的泥砂比例按3:1，加水混合均勻，總封孔長度不小于6 m。對爆破效果進行分析，在整個過陷落柱區(qū)域35個爆破孔中，一次爆破完成的孔數(shù)量為32個，一次合格率為91.4%，另3個孔爆破時出現(xiàn)了爆破漏斗拋擲現(xiàn)象，沖出了較多的巖石，判定為不合格爆破。優(yōu)化前平均每米截齒的消耗量為12.36把/m，綜采面平均推進速度為3.26 m/d，優(yōu)化后每米截齒的消耗量為3.12把/m，磨損率降低了74.8%。平均推進速度增加到了4.06 m/d，效率提升了24.5%。

5 結(jié)論

針對3105綜采面過陷落柱區(qū)域頂板結(jié)構(gòu)強度大、綜采效率低、采煤機截齒磨損嚴(yán)重的問題，提出了一種新的預(yù)裂爆破技術(shù)，開發(fā)了新的組合式擴裂彈體和鋁合金裝置儲藥器，實現(xiàn)了硬質(zhì)頂板孔內(nèi)裝藥的一致性，根據(jù)實際應(yīng)用表明：

（1）組合式擴裂彈體端部呈現(xiàn)圓錐狀，不同的彈體之間通過螺紋絲扣連接，既保證了整體的柔性，又保證了在回拉時的結(jié)構(gòu)強度，滿足在不規(guī)則爆破孔內(nèi)放置需求；

（2）推導(dǎo)出了不同爆破裝藥量情況下的裂隙區(qū)范圍，為井下實際設(shè)置爆破方案提供理論支撐，實現(xiàn)爆破參數(shù)的快速選擇；

（3）新的預(yù)裂爆破方案能夠?qū)⒈埔恢滦蕴嵘?1.4%，將采煤機截齒的磨損率降低73.4%，將綜采面的綜采效率提升24.5%，對提升煤礦井下綜采效率和安全性具有十分重要的意義。