深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在綜采工作面過陷落柱中的應(yīng)用分析

郝萬鵬，劉宏煜，楊亞超，趙軍利

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號井，山西 長治 046000）

隨著即將開采完的淺部煤炭資源，和持續(xù)提升的機(jī)械化程度，更安全、更高效地回采煤炭資源并提高其使用率是煤炭能夠繼續(xù)發(fā)展最根本的要求。陷落柱的巖溶是一種地質(zhì)構(gòu)造，其分布及影響范圍都是比較大的，其影響著礦井能夠正常的進(jìn)行開掘部署和回采活動，現(xiàn)在，幾乎全部的綜采工作面還在使用常規(guī)的技術(shù)手段如潛孔爆破、平推硬過等經(jīng)過一些比較高強(qiáng)度的巖性的非導(dǎo)水陷落柱，其效率不但低，而且刀齒磨損十分嚴(yán)重，致使安全隱患存在其中。

深孔爆破技術(shù)在經(jīng)過比較合理的設(shè)計封孔長度、藥卷直徑及鉆孔參數(shù)能夠使存在于陷落柱內(nèi)的厚硬巖體完成一次性預(yù)裂爆破效率更高，進(jìn)而使工作面安全高效地經(jīng)過陷落柱構(gòu)造區(qū)。為此，該論文采用的案列是晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦2325綜采工作面過堅(jiān)硬陷落柱，關(guān)于蘊(yùn)藏于煤系地層和開采技術(shù)的條件，PVC組合裝配式擴(kuò)裂彈體與裝藥器被研制出來，模擬LS-DY?NA 軟件的數(shù)據(jù)并得出結(jié)果，以上三方面相結(jié)合，并設(shè)計了主要關(guān)于爆破X140陷落柱的深孔的方案。

1 本文采用案例的工程狀況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦2325工作面使用的采煤方法是傾斜長壁后退式，其工作面走向、推進(jìn)長度分別為267.4m、1423m。其中，其開采煤層厚度均為2.80m，其偽頂、直接頂、基本頂使用的巖性分別為高嶺石泥巖、灰黑色砂質(zhì)泥巖、灰白色中粒砂巖，其厚度分別為0.30m、3.49m、2.69m。表1 即為煤層和頂板巖層詳細(xì)的巖性表。

表1 煤系地層頂?shù)讕r性情況表

在推進(jìn)2325工作面時，會與較高巖性的X140陷落柱相遇，在工作面中，X140 陷落柱能夠達(dá)到的寬度是40.26m，且為最大寬度，推進(jìn)工作面并按其延展方向延伸至小于99m時其里面主要就是白砂巖，圖1即有陷落柱所在的位置。

圖1 2325工作面布置情況圖

2 研發(fā)、設(shè)計擴(kuò)裂彈體和裝藥器

在未進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破時，能不能完成深孔爆破其關(guān)鍵是把設(shè)計時需要的炸藥包能否成功裝在指定位置?，F(xiàn)在，煤礦在實(shí)際爆破的時候，使用的炸藥大多數(shù)是乳化炸藥，其有比較大的柔性。本文采用例子是2325 綜采工作面比較堅(jiān)硬的陷落柱，在對炮眼進(jìn)行鉆鑿時，一則，有白砂巖存在于陷落柱里面，大多數(shù)的白砂巖分布顯露成塊狀并且為泥質(zhì)膠結(jié)，所以在成孔以后會有一些孔段孔徑形態(tài)發(fā)生變化，且變化比較大；二則，在完成鉆孔以后，清洗炮孔里面的巖粉十分困難。由于上面的2個原因，使被推送的藥包極易被破壞或在炮孔里面卡塞，致使裝藥十分不便或藥包斷斷續(xù)續(xù)，進(jìn)而使爆破不能達(dá)到預(yù)料的成效，而且，炸藥在爆炸之后殘留的部分也會對以后的生產(chǎn)留下隱患。為了把上面提及到的兩個難題解決掉，PVC 管組合裝配式擴(kuò)裂彈體和新型裝藥器被研發(fā)設(shè)計出來。

2.1 設(shè)計的PVC管組合裝配式擴(kuò)裂彈體

在PVC管組合裝配式擴(kuò)裂彈體中，其每段的彈體壁厚度、彈體外徑、裝藥長度、裝藥密度、裝藥重量分別是1.5mm、63mm、1000mm、1.1g/cm3、2.95kg。錐形結(jié)構(gòu)位于成套彈體的最前面部分，能夠成功推過粗糙的炮孔及堆積著巖粉的地方。每一個擴(kuò)裂彈體都使用絲扣相連，在裝藥時若有卡塞發(fā)生，推拉的力量是在藥柱能夠承受的范圍內(nèi)，并確保相鄰藥包之間緊密相連，能夠很好地阻止藥卷之間由于間距比較大而導(dǎo)致失爆現(xiàn)象發(fā)生。此外，阻止燃燒和化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定是PVC材料的特征，并且有爆炸發(fā)生時，不會和瓦斯與煤塵有化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，所以能夠達(dá)到井下進(jìn)行深孔爆破工作的條件。

2.2 對裝藥器進(jìn)行設(shè)計

對深孔進(jìn)行擴(kuò)裂爆破時，其炮孔的長度比較長，在確保構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度都足夠多的基礎(chǔ)上，滿足輕量化的要求，新型管狀裝藥器被設(shè)計研究出來。新型管狀裝藥器的一根管的長度、直徑、壁厚分別是1.5m、40mm、2mm。使用的材質(zhì)是6063鋁合金，其抗拉強(qiáng)度是253MPa，屈服極限是196MPa，所以能夠確保裝藥器把裝藥的外殼在孔壁極大的摩擦力下推送到設(shè)計的規(guī)定位置，并且，為了使深孔的沖洗及吹孔更加方便，所以把連接件設(shè)計成了中空。

3 對深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行優(yōu)化

3.1 確定爆破的參數(shù)

LS-DYNA 是能夠顯示其動力并對其進(jìn)行分析的程序并且是通用的，它在研究優(yōu)化其裝藥結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展爆破裂紋等許多的非線性作用下沖擊的問題中被普遍使用。按照2325工作面在實(shí)際當(dāng)中的地質(zhì)要求，LSDYNA 軟件被本文所使用，關(guān)于模擬研究其在直徑藥卷不同時其擴(kuò)裂半徑的數(shù)據(jù)，表2即為巖石材料模型力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。

表2 巖石材料力學(xué)性質(zhì)參數(shù)情況表

圖2 是在完成爆破以后不同藥卷直徑下的止裂形態(tài)，從圖2中可以看出，爆破沖擊波變成應(yīng)力波之后，應(yīng)力波形成同心圓的樣子顯露在孔壁上，跟著應(yīng)力波不斷增加的傳播距離和逐漸增多的由于消耗了大量的能量而導(dǎo)致被損壞的巖石，應(yīng)力波表現(xiàn)為逐步減弱的趨勢。經(jīng)過推測計算裂紋的長度可以知道，32 倍的藥卷半徑大約就是裂隙區(qū)的半徑，根據(jù)裂紋分散的密度可知，在完成深孔爆破之后，有益于機(jī)組經(jīng)過。

圖2 各種裝藥半徑下的止裂形態(tài)情況圖

為了能夠更加直接地感覺在爆破時，由于載荷的作用、巖體的力學(xué)特性，把4個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)布置在模型上，其4個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)和爆孔中心的距離分別為50cm、150cm、200cm、250cm，并用A、B、C、D4 個字母表示，如圖3所示。

圖3 模型測點(diǎn)情況圖

圖4即為4個測點(diǎn)的有效應(yīng)力—時間曲線圖，對圖4中的曲線進(jìn)行分析得知，在四個單元中每個單元在應(yīng)力出現(xiàn)峰值的強(qiáng)度和時間與距離炮孔中心的位置不成正比，靠近炮孔的巖體表現(xiàn)出的受力特性是先壓后拉狀態(tài)，而且拉應(yīng)力峰值的絕對值比壓應(yīng)力峰值的絕對值要小得多。

圖4 四個測點(diǎn)的應(yīng)力時間曲線圖

表3 即為最大裂隙區(qū)在六種工時的半徑。經(jīng)過擬合表3中的相關(guān)數(shù)據(jù)，得出了線性回歸方程的因變量及自變量，其因變量及自變量分別是裝藥半徑及裂隙區(qū)半徑，由圖5 可以看出，在整個方程中，礦就有0.994。把其數(shù)據(jù)帶入方程中可知，若63mm 是藥卷直徑的時候，則2016mm就是裂隙區(qū)的直徑。與3m采高的工作面和有關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合可以知道，藥卷的直徑是63mm 能夠達(dá)到工程的要求，采高1.5m 的位置與鉆孔的中心位置在同一水平線上，其鉆孔的地方位于波動200mm。

表3 裝藥半徑以及裂隙區(qū)半徑情況表

圖5 裝藥半徑與裂隙區(qū)半徑線性擬合圖

本次進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破的位置是2325工作面中的輔助進(jìn)風(fēng)巷1 里面，按照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)中的相關(guān)規(guī)章，深孔爆破的爆破作業(yè)要求的是炮孔直徑與深度分別是50mm以上與5m以上。所以，爆破深孔被布置的位置是自距離陷落柱左邊裸露在外的邊緣的10.56m的地方開始，順著工作面推進(jìn)的同一方向在長度為85m 的區(qū)域內(nèi)每間隔2.5m 設(shè)置一個爆破深孔，并控制爆破深孔的深度范圍為5～36m。為了使安全性更高，控制一次爆破需要的總藥量要小于200kg，采用正向裝藥方式在全部炮眼上裝藥，裝藥完成并串聯(lián)之后與發(fā)爆器相連接。

3.2 填塞工藝的工作原理

填塞工藝在深孔進(jìn)行爆破時不僅與爆破成效如何有關(guān)而且也與能否安全的爆破有關(guān)。所以，要按照深孔爆破各異的目的，因此炮孔的填塞也要有目的性。在此次實(shí)驗(yàn)中，封孔使用的是炮泥，其比例是3份的黃土和1份的砂，按這一比例與水混合，使其均勻，繼而再制作成圓柱形，其圓柱形的長度是200mm，?60mm。把數(shù)值代入公式（1）中，通過計算得出，6m即為封孔的安全長度。

式中：R——在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時爆破孔的半徑，mm，取值47mm；

f——側(cè)壓系數(shù)，取值0.3；

n——綜合影響系數(shù)，取值1.5，并且是其最大值；

λ——摩擦因數(shù)，取值0.02。

通過計算得出其封孔的長度L≥5.9m。

4 在現(xiàn)場進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 爆破成效

對深孔進(jìn)行爆破作業(yè)都是在半無限體內(nèi)的并且藥量比較大，因?yàn)楸茀^(qū)域不存在有用的補(bǔ)償空間，炸藥在爆炸時會有很多爆生氣體及爆炸能量產(chǎn)生，而爆炸區(qū)域是用來消耗其爆炸能量和爆生氣體的，消耗的快慢與爆破填塞、由于爆破導(dǎo)致了巖石產(chǎn)生裂隙其擴(kuò)展快慢、爆破區(qū)域里面的原巖裂隙的發(fā)育到什么狀況有關(guān)。即使有很多白砂巖存在于X140陷落柱里面，白砂巖即堅(jiān)硬又完好，而且是塊狀的泥質(zhì)膠結(jié)。因此，其能量在爆破時會耗散的比較快，補(bǔ)償空間被提供給了爆生氣體用于膨脹，其空間比較大。

在結(jié)束深孔預(yù)裂爆破以后，統(tǒng)計了炮孔的每次爆破的成效。當(dāng)中，因?yàn)? 號孔充填了比較差的炮泥質(zhì)量，導(dǎo)致了在爆破之后，炮泥被沖出來，在1～17號中除了5 號其他的孔都沒有很大沖孔現(xiàn)象出現(xiàn)；在爆炸時18、19號孔有爆破漏斗拋擲的現(xiàn)象出現(xiàn)，很多巖石被沖出來，對造成這一現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析，得出結(jié)論是在本區(qū)域里面巖石的巖性比較好且裝了大量的藥量而造成的；20～35號孔未出現(xiàn)以上兩種現(xiàn)象。

4.2 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計

（1）在2325 工作面未經(jīng)過X140 陷落柱時，首先要經(jīng)過X165 陷落柱，因?yàn)閮蓚€陷落柱的巖性比較相似，而且使用的方法是對潛孔進(jìn)行爆破。共有31.8m 是X165 陷落柱推進(jìn)的。消耗截齒共396 把，使用的時間是9d，截齒消耗的平均值每米消耗12.45 把，工作面推進(jìn)的均速是一天推進(jìn)3.53m。

（2）在X140 陷落柱中的深孔進(jìn)行爆破的區(qū)域中2325 工作面共計推進(jìn)了85m(即布設(shè)1#～35#炮眼的區(qū)段)，截齒一共消耗了270把，使用的時間是21d，消耗截齒的平均值是每米消耗3.18 把，工作面推進(jìn)的均速是每天4.05m。

（3）經(jīng)過把上面數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，截齒在X140陷落柱進(jìn)行爆破擴(kuò)裂區(qū)的消耗量和X165 陷落柱相對比下降了74.5%，工作面推進(jìn)時的均速上升了14.7%。

5 總結(jié)

（1）就陷落柱具有的巖性比較堅(jiān)硬這一問題，把型PVC 組合裝配式擴(kuò)裂彈體研制出來，利用炸藥具有的柔性乳化的特點(diǎn)來為其閘北被精準(zhǔn)地送至規(guī)定的炮眼的位置，使每個藥包之間的耦合度上升。而且，使用鋁合金來用作包藥器，其既能使安裝時更加便捷，借助其中空式的連接頭，可以實(shí)現(xiàn)深孔能夠更好地完成沖洗及吹孔的工作。

（2）按照LS-DYNA 進(jìn)行模擬得出的結(jié)果得知，在此次爆破，藥卷直徑、相鄰炮眼之間的距離、封孔炮泥的適合的長度范圍等被選用，其數(shù)據(jù)分別是63mm、2.5m、1.5～6m，在每次進(jìn)行爆破的時候，其總的藥量要在200kg以內(nèi)。

（3）在現(xiàn)場進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)得知，2325綜采工作面使用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)經(jīng)過陷柱的時候會有比較好的成效，其具有比較堅(jiān)硬的特性。其中，在爆破實(shí)施完成以后，被爆害的炮孔中有92%的是能夠得到控制的，消耗截齒的數(shù)量減少了74.5%，工作面在推進(jìn)時的均速上升了14.7%。