新元礦9108 工作面深孔預(yù)裂爆破過陷落柱技術(shù)研究及應(yīng)用

鞏 赟 李 輝

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400）

近年來國家大力推廣能源結(jié)構(gòu)向綠色環(huán)保調(diào)整，但是煤炭需求量仍然呈增長趨勢，煤炭的持續(xù)高強度開采已導(dǎo)致賦存條件優(yōu)越的資源已逐漸開采殆盡，因此煤礦開采面臨的地質(zhì)環(huán)境問題愈加復(fù)雜[1-2]。陷落柱又稱之為巖溶，是一種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，具有分布范圍廣、影響范圍大等特點。在綜采工作面遇到非導(dǎo)水陷落柱開采時，由于陷落柱巖體強度較高，開采時常導(dǎo)致截齒磨損嚴(yán)重，且效率低下，而且存在一定的安全隱患。為此，相關(guān)專家學(xué)者提出了采用深孔預(yù)裂爆破的方法弱化陷落柱內(nèi)厚硬巖體，從而提高工作面過陷落柱的效率，且降低了開采安全隱患[3-5]。本文以新元礦9108 工作面過X85陷落柱為工程背景，提出工作面采用深孔預(yù)裂爆破的方法，弱化陷落柱內(nèi)厚硬巖體，從而提高新元礦9108 工作面過陷落柱的效率。

1 工程概況

新元礦9108 工作面位于9#煤一水平一采區(qū)，地面標(biāo)高1 092.5～1 141.3 m，工作面標(biāo)高570.5～679.3 m，埋藏深度449.4～510.3 m。工作面傾斜長1305 m，走向長240 m，所采煤層傾角一般為0°～8°，平均4°。9#煤屬于復(fù)合頂板，煤層中含2～3 層泥質(zhì)夾矸，上部含有約0.1 m 的8下煤，中間夾矸厚度一般為0.20～1.50 m 左右。9#煤層厚度1.1～3.3 m，平均2.77 m，煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，底板為粉砂巖。直接頂以砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖為主（含8#煤層），厚度約17.63 m；基本頂為粉砂巖、粗砂巖，厚度約9.17 m；直接底為粉砂巖，平均厚度1.2 m；基本底為細砂巖，平均厚度4.38 m。地質(zhì)資料顯示，9108 工作面回采過程中將遇見X85 陷落柱，X85 陷落柱長軸為112 m，短軸為66 m（切入工作面40.26 m），X85 陷落柱巖性主要為粉砂巖、粗砂巖。9108 工作面和X85陷落柱相對位置示意圖如圖1。

圖1 9108 工作面和X85 陷落柱相對位置示意圖（m）

2 深孔預(yù)裂爆破參數(shù)優(yōu)化確定

2.1 深孔預(yù)裂爆破裝藥半徑確定

根據(jù)9108 工作面的實際生產(chǎn)地質(zhì)條件，利用LS-DYNA 數(shù)值模擬軟件模擬分析不同直徑藥卷爆破后產(chǎn)生的圍巖擴裂半徑，圖2 給出了裝藥半徑分別為25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm 時爆破后對應(yīng)的圍巖止裂形態(tài)。由圖2 可知，鉆孔內(nèi)炸藥爆破后產(chǎn)生的沖擊波在孔壁圍巖上形成呈同心圓形狀的應(yīng)力波，并隨傳播距離的增大，逐漸衰減的趨勢。不同裝藥半徑爆破后的圍巖裂紋長度、爆破后形成的圍巖擴裂半徑與裝藥半徑呈線性相關(guān)（相關(guān)性系數(shù)0.994），線性擬合結(jié)果如圖3，測量可知爆破后形成的圍巖擴裂半徑是裝藥半徑的31 倍左右。

圖2 不同裝藥半徑對應(yīng)的圍巖止裂形態(tài)

圖3 不同裝藥半徑與圍巖擴裂半徑線性擬合結(jié)果

9108 工作面平均采高2.77 m，結(jié)合礦井相關(guān)爆破經(jīng)驗，確定采用直徑為63 mm 的藥卷，根據(jù)線性回歸方程計算得到圍巖擴裂半徑為2020 mm，可滿足實際工程需要。

2.2 鉆孔布置方式及爆破參數(shù)

深孔預(yù)裂爆破計劃在9108 工作面輔助進風(fēng)巷1內(nèi)進行。根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定，深孔預(yù)裂爆破是指炮孔直徑大于50 mm、深度大于5 m 的爆破作業(yè)[6]。本次深孔預(yù)裂爆破設(shè)計爆破鉆孔直徑63 mm，從距9108工作面揭露的X85陷落柱左側(cè)邊緣8 m處開始，沿9108 工作面推進方向，以3.0 m 為間距，呈三花布置方式，布置深孔預(yù)裂爆破鉆孔。鉆孔布置范圍沿工作面推進方向長度102 m，共布置35 個鉆孔，深孔預(yù)裂爆破鉆孔深度控制在5.5～36.5 m 范圍。深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置如圖4，深孔預(yù)裂爆破參數(shù)詳見表1。爆破鉆孔采用炮泥封孔進行密封，炮泥采用黃土與砂按照一定的比例加水混合加工而成，炮泥呈L200 mm×Φ60 mm 的圓柱形。

表1 深孔預(yù)裂爆破參數(shù)

編號 鉆孔深度/m裝藥長度/m封孔長度/m裝藥量/kg 31 35.5 29.5 6 82.6 32 35.5 29.5 6 82.6 33 33.5 27.5 6 77 34 30.5 24.5 6 68.6 35 16.5 10.5 6 29.4

圖4 深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置圖（m）

3 現(xiàn)場工程應(yīng)用

3.1 爆破效果分析

將設(shè)計的深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置方式及爆破參數(shù)在9108 工作面輔助進風(fēng)巷1 內(nèi)進行工程應(yīng)用，爆破后統(tǒng)計各鉆孔的爆破效果。其中，1～7、9～20號鉆孔未出現(xiàn)炮泥沖孔現(xiàn)象；24～35 號鉆孔未出現(xiàn)炮泥沖孔現(xiàn)象和碎石拋擲現(xiàn)象；8 號鉆孔爆破后炮泥被沖出，是由于炮泥充填質(zhì)量問題導(dǎo)致；21、22和23 號鉆孔爆破時出現(xiàn)碎石拋擲現(xiàn)象，是由于裝藥量大、巖石完整性好導(dǎo)致的。

3.2 試驗對比分析

（1）9108 工作面在通過X85 陷落柱深孔預(yù)裂爆破范圍時（累計102 m），累計消耗截齒240 把，累計用時27 d，截齒消耗每米平均為2.35 把，工作面推進速度平均為3.78 m/d。

（2）9108 工作面通過X85 陷落柱后，又通過了X76 陷落柱，該陷落柱與X85 陷落柱巖性條件類似，陷落柱采用了潛孔爆破方式進行處理。在通過X76 陷落柱潛孔爆破范圍時（累計推進45 m），累計消耗截齒423 把，累計用時18 d，截齒消耗每米平均為9.4 把，工作面推進速度平均為2.5 m/d。

（3）通過對比發(fā)現(xiàn)，9108 工作面采煤機通過X85 陷落柱深孔預(yù)裂爆破范圍時的截齒消耗量比通過X76 陷落柱潛孔爆破范圍時降低了75%，同時工作面推進速度提高了34%。

4 結(jié)論

以9108 工作面過X85 陷落柱為工程背景，提出工作面采用深孔預(yù)裂爆破的方法過陷落柱，模擬分析了不同直徑藥卷爆破后產(chǎn)生的圍巖擴裂半徑，分析認為爆破后形成的圍巖擴裂半徑與裝藥半徑呈線性相關(guān)。基于此，確定了深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置方式及爆破參數(shù)，并進行了工程應(yīng)用。9108 工作面采煤機通過X85 陷落柱深孔預(yù)裂爆破范圍時的截齒消耗量比通過X76 陷落柱潛孔爆破范圍時降低了75%，工作面推進速度提高了34%。