深孔爆破快速處理綜采工作面構(gòu)造技術(shù)應(yīng)用研究

趙 壘

(潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 生產(chǎn)辦，山西 長治 046204)

在地質(zhì)運(yùn)動過程中，煤田內(nèi)形成許多大大小小的斷層、陷落柱、侵入巖等構(gòu)造，當(dāng)工作面遇到這些地質(zhì)構(gòu)造時，由于介質(zhì)的強(qiáng)度和硬度等發(fā)生了不可控的變化，在機(jī)械化開采時，機(jī)械設(shè)備損耗嚴(yán)重，推進(jìn)速度也大打折扣，制約了生產(chǎn)的連續(xù)性[1]。為消除過構(gòu)造時淺孔爆破輔助作業(yè)時間長、生產(chǎn)效率低、循環(huán)次數(shù)多且負(fù)面風(fēng)險大等不利因素的影響，新元煤業(yè)3207工作面采用了深孔爆破快速處理綜采工作面大型構(gòu)造技術(shù)。

1 工作面概況

新元煤業(yè)3207工作面走向長1 423 m，傾斜長267.4 m，面積380 510.2 m2，煤層平均厚2.73 m.3207工作面掘進(jìn)期間揭露3個陷落柱，從南往北依次為CN1(50.06 m×21.38 m)、X140(40.28 m×100 m)、X141(29.14 m×15.2 m),揭露兩條斷層，斷距分別為3.7 m、2 m.其中：X140陷落柱巖性較硬，31 m為白砂巖，63 m上部為1.5 m白砂巖、1.7 m泥巖。

2 深孔爆破設(shè)計

2.1 鉆孔的深度與間距

1) 鉆孔深度。根據(jù)勘測資料中陷落柱在巷道處的揭露情況，埋置深度為0～40.26 m.按照爆破設(shè)計，布孔處深度大于3.5 m時為深孔爆破，深度小于3.5 m的為淺孔爆破。此陷落柱的爆破采用一次全部深孔爆破擴(kuò)裂破碎，炮眼深度為3.5～36 m.

2) 鉆孔位置及孔間距。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗及模擬實驗，采煤高度3.0 m，D63 mm的藥卷的爆破作用半徑可達(dá)到1 000 mm以上。因此，選取采高一半為布置鉆孔的中位置，波動200 mm處布孔，孔間距為2.5 m左右。

2.2 鉆孔裝藥量

本次裝藥采用PVC材質(zhì)擴(kuò)裂爆破殼體，外徑為67 mm、內(nèi)徑64 mm，有效裝藥長度為1 000 mm，各殼體之間可以通過螺紋連接。

按照擴(kuò)裂爆破的裝藥特點，結(jié)合單點起爆方式，為保證爆破安全，炮孔的裝藥量要求如下：①單點正向起爆，整體式一次性裝藥；②單點起爆時不能出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象和管道效應(yīng)；③整體藥柱裝入，如遇“卡塞”現(xiàn)象，可順利拉出。

按照填塞設(shè)計要求，總裝藥量不大于200 kg，單孔裝藥最大長度控制在30 m以內(nèi)。根據(jù)陷落柱揭露情況和勘探資料，深孔爆破設(shè)計預(yù)計的炮孔深度、裝藥量、填塞長度等參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計爆破參數(shù)

2.3 起爆系統(tǒng)設(shè)計

本次使用水膠炸藥。深孔爆破時，先爆的炸藥產(chǎn)生的沖擊波或爆炸應(yīng)力波容易對后起爆的炸藥產(chǎn)生動壓減敏作用，甚至爆轟熄滅。為了改變這種現(xiàn)狀，藥卷殼體設(shè)計時進(jìn)行了充分考慮，試驗時采用正向起爆即可。起爆藥包并聯(lián)接入兩個同段煤礦許用毫秒電雷管。藥包外的起爆線用1 mm2爆破鋼絲線接出，使用防水膠布密封接頭，起爆線進(jìn)行短路連接。炮孔填塞好后，將各起爆線串聯(lián)接入起爆母線網(wǎng)路，起爆母線中間無接頭，長度為300 m，達(dá)到遠(yuǎn)距離起爆的要求。

2.4 填塞工藝

炮孔的填塞材料俗稱炮泥。在炮孔中不同位置的炮泥，爆破后的運(yùn)動規(guī)律是不同的。爆炸時炮眼內(nèi)產(chǎn)生的壓力不僅作用在孔壁上，同時也作用在炮泥上，但炮泥不是剛體，而是可壓縮的材料，在爆轟壓力作用下，靠近裝藥部分的炮泥開始時運(yùn)動速度增加很快，基本上按線性增長，這時炮泥產(chǎn)生很大的塑性變形，使其密度不斷增大，當(dāng)密度增大到一定程度后，炮泥和孔壁之間的摩擦力和橫向推力也增大，如果此時的摩擦力和抗剪強(qiáng)度大于爆生氣體的推力，炮泥的運(yùn)動速度相對要減小，甚至停止運(yùn)動。隨著爆轟壓力的繼續(xù)升高，對炮泥的推力不斷增大，炮泥中的剪應(yīng)力也不斷增大，直至克服炮泥與孔壁之間的摩擦力和炮泥的剪應(yīng)力，使炮泥迅速向孔外滑動而拋出炮孔。靠近孔口的炮泥剛開始時，由于慣性作用向外運(yùn)動的速度很小，當(dāng)爆炸應(yīng)力波傳播到孔口后，從自由面產(chǎn)生反射拉伸作用，使孔口炮泥向外拋出；同時炮孔內(nèi)爆生氣體對內(nèi)層炮泥的作用不斷增強(qiáng)，其運(yùn)動速度也會越來越大，推動孔口炮泥產(chǎn)生向外運(yùn)動的速度也增大，最終兩者速度相等，一起拋出炮孔[2]。為了達(dá)到本次試驗的目的，填塞時需要注意以下幾點：

1) 填塞長度的確定。根據(jù)相關(guān)理論，避免沖孔的安全封孔長度計算公式為：L≥nR/(2fλ)[3-4]，其中現(xiàn)場試驗爆破孔半徑R為47 mm，側(cè)壓系數(shù)f為0.3，摩擦因數(shù)λ為0.02，綜合影響系數(shù)出于安全考慮，取最大值1.5，計算封孔長度L≥5.9 m.因此，這次試驗炮孔的填塞長度取6 m即可。

2) 炮泥材質(zhì)及規(guī)格。本次試驗采用傳統(tǒng)的黃土(黃土與砂的比例為3∶1)做炮泥，只是需要事先預(yù)制成D60 mm、長200 mm的圓柱形炮泥。

3 試驗效果分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)現(xiàn)場實際鉆孔情況對爆破方案進(jìn)行調(diào)整：1～4號孔的區(qū)域陷落柱寬度小于5 m，因此決定從5號孔開始裝藥爆破，7號孔55 m，由于此孔已深超過了40 m，所以裝藥時，先在炮孔中裝入13 m空管，然后再進(jìn)行裝藥?，F(xiàn)場試驗時炮孔情況及裝藥的相關(guān)參數(shù)調(diào)整以后的情況如表2所示。

表2 現(xiàn)場爆破參數(shù)記錄

3.2 爆破效果分析

當(dāng)工作面通過爆破區(qū)域時，發(fā)現(xiàn)爆破施工區(qū)域?qū)嶋H構(gòu)造為陷落柱與斷層，104號至機(jī)尾全巖揭露陷落柱，柱體內(nèi)巖性雜亂，填充物以砂質(zhì)泥巖、砂巖為膠結(jié)程度中等，無水。

1～4號孔未放炮，陷落柱巖石硬度較大，每天8點班更換刀齒12～15把。24號0點班通過5號孔，5號孔孔深35 m，據(jù)回采觀測情況看，炮孔全長為巖石。

深孔爆破對封孔部位的作用比較有限，其長度大概為4.5 m，巖石的完整性較好，采煤機(jī)切割時比較緩慢；在采煤機(jī)通過爆破裝藥段時，沿黃線炮孔方向的破裂帶有明顯的爆破破裂區(qū)，巖塊破碎均勻，爆破效果非常明顯，采煤機(jī)切割時非常順暢。

3.3 推進(jìn)速度及截齒消耗統(tǒng)計分析

3207工作面在回采過程中，回采通過X140陷落柱之前，先通過了一個較小的陷落柱CX1，由于此陷落柱較小就沒有進(jìn)行爆破處理。2021年11月27日至2021年12月6日，采煤機(jī)過此陷落柱時，推進(jìn)速度和截齒消耗情況如表3所示。2021年12月20日至2022年1月11日，回采通過X140陷落柱及斷層時，其推進(jìn)速度和截齒消耗情況如表4所示。

表3 通過CX1陷落柱推進(jìn)度與截齒消耗情況統(tǒng)計

表4 通過X140陷落柱推進(jìn)度與截齒消耗情況統(tǒng)計

通過CX1陷落柱累計推進(jìn)31.8 m，平均推進(jìn)速度3.42 m/d.截齒消耗396把，用時10 d，截齒平均消耗12.86把/m.

通過X140陷落柱及斷層累計推進(jìn)79.6 m，截齒消耗277把，用時22 d.其中擴(kuò)裂爆破44.3 m，平均推進(jìn)速度4.43 m/d，截齒消耗117把，用時10 d，截齒平均消耗2.64把/m；未擴(kuò)裂35.3 m，平均推進(jìn)速度3.21 m/d，消耗截齒160把，用時11 d，截齒平均消耗4.53把/m。

通過數(shù)據(jù)分析比較可知：

1) X140陷落柱沒有擴(kuò)裂爆破區(qū)域，截齒消耗比CX1陷落柱少8.33把/m，巖石影響范圍較小，但工作面推進(jìn)速度相差不大，說明X140陷落柱的巖性比CX1陷落柱硬度大，切割難度要大。

2) 從圖2中看到，在X140陷落柱中，爆破擴(kuò)裂區(qū)域通過采煤機(jī)切割后，其巖壁上未發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)切割時留下的痕跡，說明爆破擴(kuò)裂后，巖體得到了充分破碎，爆破擴(kuò)裂已達(dá)到了預(yù)期效果。

3) 對采煤機(jī)通過X140陷落柱爆破擴(kuò)裂區(qū)域與CX1陷落柱進(jìn)行比較，截齒消耗降低了79.5%，工作面推進(jìn)速度提高了29.6%.

4) 在X140陷落柱內(nèi)，對爆破擴(kuò)裂區(qū)域與未進(jìn)行爆破擴(kuò)裂區(qū)域進(jìn)行比較，其截齒消耗也減少了1.89把/m，推進(jìn)速度也提高了1.22 m/d.

4 結(jié) 語

1) 通過對深孔爆破的關(guān)鍵技術(shù)和工藝的研究，解決了深孔爆破的裝藥、起爆技術(shù)難題，克服了深孔爆破安全性不穩(wěn)定、工藝復(fù)雜、操作不可靠等缺點，形成了安全、高效的深孔爆破新技術(shù)，為快速、經(jīng)濟(jì)、安全處理綜采工作面大型構(gòu)造提供了技術(shù)保障。

2) 深孔擴(kuò)裂爆破同淺孔爆破相比大大減少了輔助作業(yè)時間，提高了采煤工作面的推進(jìn)速度，使工作面在過X140陷落柱爆破擴(kuò)裂區(qū)域時，推進(jìn)速度超過4.43 m/d.

3) 通過對綜采工作面大型構(gòu)造進(jìn)行深孔擴(kuò)裂爆破，破壞力其完整性，強(qiáng)度大幅降低，采煤機(jī)切割推進(jìn)時，截齒消耗降低了79.5%，采煤機(jī)工作時震動減小，降低了維修費用。

4) 通過對巖石動力學(xué)的理論研究，建立了柱狀藥包在半無限體內(nèi)爆炸作用的數(shù)字計算模型，為綜采工作面大型構(gòu)造進(jìn)行深孔擴(kuò)裂爆破設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。