杜兒坪煤礦工作面過堅(jiān)硬陷落柱深孔預(yù)裂爆破技術(shù)

梁 鑫

（山西焦煤西山煤電杜兒坪煤礦，山西 太原 030000）

巖溶陷落柱對(duì)采煤安全影響范圍較大，當(dāng)工作面推進(jìn)遭遇這類地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，由于構(gòu)造內(nèi)的介質(zhì)巖性及強(qiáng)度變化較大，不僅會(huì)大幅降低工作面的推進(jìn)效率，還會(huì)加劇采煤機(jī)截齒的損耗，嚴(yán)重制約了礦井的安全高效生產(chǎn)。目前，大多數(shù)工作面采用淺孔爆破的方式通過陷落柱構(gòu)造區(qū)，但該方式的爆破作用范圍較小，循環(huán)作業(yè)次數(shù)較多，不僅效率較低，而且還存在較大的安全隱患。深孔預(yù)裂爆破技術(shù)[1-5]可對(duì)陷落柱內(nèi)的堅(jiān)硬巖體進(jìn)行一次性預(yù)裂爆破，降低了循環(huán)作業(yè)次數(shù)，對(duì)于提高工作面通過堅(jiān)硬陷落柱構(gòu)造速度，保障礦井安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

杜兒坪煤礦73907 工作面位于南九盤區(qū)，北接南九皮帶巷，南距杜兒坪斷層370 m，東距73907回采工作面284 m，西部為實(shí)體煤，采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化全部垮落采煤法。73907 工作面主采3#煤層，煤厚3.06～3.80 m，平均3.40 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含0～2 層總厚0～0.9 m 的夾矸，平均0.4 m，夾矸巖性泥巖。煤層傾角1°～10°，平均5°。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

73907 工作面在回采過程中揭露1372#陷落柱，其在工作面內(nèi)的短袖長(zhǎng)16 m，長(zhǎng)袖長(zhǎng)107 m，切入工作面內(nèi)的面積為2349 m2。陷落柱內(nèi)以中砂巖及細(xì)砂巖發(fā)育為主，其強(qiáng)度及硬度較高，對(duì)工作面回采影響較大，需采用深孔爆破技術(shù)進(jìn)行預(yù)裂弱化。

2 深孔預(yù)裂爆破模擬分析

采用LS-DYNA 顯示動(dòng)力分析程序，根據(jù)73907工作面陷落柱巖性及爆破炸藥參數(shù)建立半無(wú)限巖體模型，炮孔直徑設(shè)置為90 mm，藥卷直徑為63 mm，模型中不同介質(zhì)間采用耦合的算法進(jìn)行計(jì)算。陷落柱內(nèi)中砂巖及細(xì)砂巖的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 陷落柱內(nèi)巖體物理力學(xué)參數(shù)

爆破采用的炸藥為礦用三級(jí)水膠炸藥，模擬時(shí)采用JWL 狀態(tài)方程，其中，炸藥密度設(shè)為1.15 g/cm3，炸藥爆破速度為4200 m/s，初始比內(nèi)能為1.44 GPa。

根據(jù)上述參數(shù)條件，模擬分析不同裝藥半徑下爆破后巖體內(nèi)的裂紋擴(kuò)展演變過程及止裂長(zhǎng)度，圖1 為50 mm 藥卷半徑下的爆破裂紋演化過程。由圖1 可知，裂紋由炮孔呈圓形向四周擴(kuò)展發(fā)育，止裂后的裂隙擴(kuò)展半徑達(dá)到了1900 mm，且裂紋分布密度較大，有利于破碎堅(jiān)硬巖體。

圖1 50 mm 藥卷半徑下的爆破裂紋演化過程

表3 為不同藥卷半徑下爆破裂隙擴(kuò)展半徑統(tǒng)計(jì)。

裂隙擴(kuò)展半徑2.5 79.7 4.0 155.0 3.0 94.0 4.5 171.0 3.5 132.0 5.0 190.0裝藥半徑裂隙擴(kuò)展半徑裝藥半徑

根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)，以裝藥半徑為橫坐標(biāo)，裂隙擴(kuò)展半徑為縱坐標(biāo)，通過線性擬合的方式分析二者的關(guān)系，如圖2。由圖2 可知，裂隙擴(kuò)展區(qū)半徑基本隨著裝藥半徑的增加而線性增大，且二者相關(guān)性高，系數(shù)達(dá)到了0.979 7，其線性擬合后的量化關(guān)系可由式（1）表達(dá)：

圖2 裝藥半徑與裂隙擴(kuò)展半徑線性關(guān)系

式中：Rc為裂隙擴(kuò)展區(qū)半徑，cm；rc為裝藥半徑，cm?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可根據(jù)式（1）進(jìn)行爆破炮孔參數(shù)的設(shè)計(jì)。

3 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定及已有研究成果，深孔預(yù)裂爆破需滿足如下幾點(diǎn)：

1）爆破前需對(duì)工作面煤層的瓦斯含量及煤層突出傾向進(jìn)行認(rèn)定分析，以確保施工安全。

2）爆破的破碎范圍不應(yīng)超過工作面的采高，避免破壞頂?shù)装宓耐暾?，影響工作面安全推進(jìn)。

3）為防止爆破產(chǎn)生較大的沖擊波影響煤層及巷道的穩(wěn)定性，需嚴(yán)格控制單孔的裝藥量。

3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，確定炮孔直徑為90 mm，藥卷半徑為31.5 mm。由數(shù)值模擬得出的藥卷直徑與裂隙擴(kuò)展半徑間的量化關(guān)系式（1）可得出，31.5 mm 半徑藥卷的裂隙直徑約為2194 mm，因此，炮孔間距取2200 mm。炮孔采用梅花式布置，深度為6～55 m，裝藥長(zhǎng)度為2～34 m，單孔裝藥量應(yīng)小于150 kg。各炮孔具體參數(shù)見表4。

表4 深孔爆破具體參數(shù)表

3.3 裝藥器設(shè)計(jì)

由于部分炮孔的深度較長(zhǎng)，傳統(tǒng)裝藥方式難以將藥包殼體送入孔內(nèi)指定位置，因此采用一種新型裝藥器，如圖3所示。該型裝藥器由鋁合金加工制成，單節(jié)長(zhǎng)度為1.5 m，壁厚2 mm，直徑為42 mm，其屈服強(qiáng)度不低于198 MPa，抗拉強(qiáng)度不低于260 MPa，不僅強(qiáng)度高，且重量較輕，能夠克服孔壁內(nèi)的摩擦力，并將裝藥殼體順利送入指定的深度，進(jìn)而保證爆破效果。

圖3 裝藥器結(jié)構(gòu)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為分析深孔預(yù)裂爆破對(duì)陷落柱堅(jiān)硬巖體的弱化效果，對(duì)比分析了爆破前后73907 工作面過1372#陷落柱時(shí)的推進(jìn)速度及采煤機(jī)截齒消耗量。

73907 工作面未采取深孔預(yù)裂爆破技術(shù)前，采煤機(jī)在1372#陷落柱累計(jì)推進(jìn)31.5 m，損耗截齒337 把，平均每推進(jìn)1 m 截齒消耗10.70 把，工作面平均每天推進(jìn)3.55 m。對(duì)工作面1372#陷落柱區(qū)域?qū)嵤┝松羁最A(yù)裂爆破技術(shù)后，累計(jì)推進(jìn)75.5 m，截齒共損耗237 把，平均每推進(jìn)1 m 截齒消耗3.14把，工作面平均每天推進(jìn)4.43 m。工作面每米截齒消耗量降低了70.7%，而推進(jìn)速度提升了24.8%，表明深孔預(yù)裂爆破技術(shù)有效弱化了陷落柱內(nèi)的堅(jiān)硬巖體強(qiáng)度，保證了工作面的安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié)論

1）通過LS-DYNA 軟件模擬了爆破后的裂紋擴(kuò)展過程，分析了裝藥半徑與裂隙擴(kuò)展半徑之間的關(guān)系，得出裂隙擴(kuò)展區(qū)半徑基本隨著裝藥半徑的增加而線性增大，并給出了二者的量化關(guān)系式，用于指導(dǎo)爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)。

2）根據(jù)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)原則結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及數(shù)值模擬結(jié)果，確定炮孔直徑為90 mm，藥卷半徑為31.5 mm，炮孔間距為2200 mm，并設(shè)計(jì)了各炮孔的具體參數(shù)。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)后，工作面通過陷落柱時(shí)，截齒的平均消耗量降低了70.7%，工作面的推進(jìn)速度提升了24.8%，保證了工作面的安全高效生產(chǎn)。