深淺孔聯(lián)合爆破技術(shù)在過(guò)復(fù)雜構(gòu)造帶中的應(yīng)用

焦世雄

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 白洞礦業(yè)大同有限公司，山西 大同 037000）

0 引言

在采煤工作面回采過(guò)程中，往往會(huì)遇到隱伏地質(zhì)構(gòu)造，而在伴生斷層、褶曲等構(gòu)造附近，會(huì)存在瓦斯積聚、煤層頂板破碎、裂隙導(dǎo)水、壓力顯現(xiàn)等現(xiàn)象，對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅。當(dāng)斷層落差較大、延伸影響范圍較廣時(shí)，會(huì)導(dǎo)致煤層斷開(kāi)，破巖量增加，不利于煤炭資源的有效回收，而具有自燃傾向性和爆炸危險(xiǎn)性的煤層一旦回收不及時(shí)，被遺留至采空區(qū)，更是成為礦井生產(chǎn)重大安全隱患[1]。

因此，為解決好采煤工作面過(guò)斷層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造期間的技術(shù)難題，以挖金灣煤礦8108 工作面為例，探究有效技術(shù)方案與治理措施。

1 工作面概況

挖金灣煤礦8108 綜采工作面主采石炭二疊系山4 號(hào)煤層，可采煤層平均厚度3.86 m，煤層傾角1°～3°。工作面采用綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁式采煤法，切眼向外回采370 m 范圍內(nèi)將揭露多達(dá)9 條斷層，落差為2.1～9.0 m，由2018 巷向5018 巷延伸發(fā)育，且回采范圍內(nèi)將揭露1 條寬度為3 m左右的火成巖侵蝕條帶，由煤層頂板發(fā)育向底板呈床形侵入，對(duì)采面影響范圍約395 m，加上周邊伴生斷層的影響，回采區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造類(lèi)型屬于極復(fù)雜。8108 回采工作面地質(zhì)構(gòu)造分布圖如圖1所示。

圖1 8108 回采工作面地質(zhì)構(gòu)造分布Fig.1 Geological structure distribution of No.8108 Face

8108 回采工作面共安裝136 架掩護(hù)式支架，其中128 架型號(hào)為ZY12000/24/48D 的普通支架，8架型號(hào)為ZYT12000/24/48D 的端頭支架和過(guò)渡架，選用采煤機(jī)型號(hào)為MG900/2360-WD，刮板輸送機(jī)型號(hào)為 SGZ1000/3 ×855，轉(zhuǎn)載機(jī)型號(hào)為SZZ1200/525，破碎機(jī)型號(hào)為PLM3500，帶式輸送機(jī)型號(hào)為DSJ120/350/3×250，設(shè)備選型滿(mǎn)足安全生產(chǎn)條件要求。在回采過(guò)程中由于受到復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶的影響，尤其是火成巖區(qū)域頂?shù)装鍘r性變化較大，多為高密度、質(zhì)地堅(jiān)硬的細(xì)砂巖和粉砂巖，煤層頂?shù)装鍘r性描述見(jiàn)表1，回采期間割煤機(jī)滾筒截齒很難實(shí)現(xiàn)有效截割，且大塊矸石進(jìn)入破碎機(jī)后也很難破碎，該區(qū)域影響條帶范圍約為40 m，如何對(duì)堅(jiān)硬頂板實(shí)現(xiàn)松動(dòng)爆破，獲得適合運(yùn)輸?shù)牧巾肥?，減少設(shè)備磨損，實(shí)現(xiàn)安全高效的回采是研究的重點(diǎn)方向。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of coal roof and floor lithology

2 深淺爆破孔聯(lián)合施工技術(shù)原理

根據(jù)頂板圍巖性質(zhì)和破碎程度，結(jié)合垮落帶高度，為達(dá)到理想的爆破效果，在采煤工作面過(guò)斷層構(gòu)造帶時(shí)通常采用深孔爆破和淺孔爆破2 種方式。一般情況下，深孔施工孔徑為75～350 mm，孔深為8～15 m；淺孔施工孔徑為50 mm，孔深為5～8 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定炮眼為深淺孔相結(jié)合的爆破方式，炮眼深度為1.6、5、7、8 m 等。

利用深淺孔聯(lián)合爆破技術(shù)是利用不同深度空間裝藥存在一定的層位空隙，當(dāng)起爆后可以避免振動(dòng)波出現(xiàn)波動(dòng)耦合，最大限度地降低爆破壓力疊加產(chǎn)生的壓力峰值，提供有效的聚能臨空面，促使巖石在切應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂隙，而臨空面的聚能壓力在釋放的瞬間又能夠進(jìn)一步將巖石裂隙進(jìn)行擴(kuò)張，產(chǎn)生更多裂隙，破壞巖石的整體結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部不斷分裂，達(dá)到分解破碎巖石的效果，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的[2]。

3 深淺爆破孔聯(lián)合施工參數(shù)確定

3.1 最小抵抗線

根據(jù)炸藥在爆破過(guò)程中對(duì)巖體產(chǎn)生的爆炸破碎效果和粒徑大小程度，可將爆破結(jié)果分為3 個(gè)區(qū)域，即壓力碎裂區(qū)、裂隙擴(kuò)散區(qū)及彈性振動(dòng)區(qū)等。由于在爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫環(huán)境，促使空氣形成一定范圍的壓差，從而產(chǎn)生極強(qiáng)的氣壓，伴隨沖擊波的作用一起對(duì)巖體造成碎裂影響，出現(xiàn)“松動(dòng)爆破”的現(xiàn)象，而在應(yīng)力最集中的爆破中區(qū)也會(huì)形成一個(gè)有效的松動(dòng)圈[3]，通過(guò)式（1）可計(jì)算得出松動(dòng)圈的半徑結(jié)果。

式中：Rp為松動(dòng)半徑，m；α 為應(yīng)力衰減波值，α=（2-v）/（1-v）；St為抗拉強(qiáng)度，MPa；V 為泊松比；P 為應(yīng)力波沿徑向的初始峰值，其大小計(jì)算可由式（2）推導(dǎo)得出。

式中：Di為爆炸速度，m/s；ρ0為裝藥密度，kg/m3；rc為裝藥半徑，cm；rb為炮眼半徑，cm；V 為泊松比；n 為壓力擴(kuò)增倍數(shù)。

根據(jù)以上2 個(gè)公式，將工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Di=3 600 m/s、ρ0=0.278 kg/m3、rc=1.75 cm、rb=2.1 cm、St=1.29 MPa、n=10、V=0.235，代入公式得出ω=545.79 mm，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，最小抵抗線取值為ω=1.2 m。

若要取得最佳的松動(dòng)爆破效果，首先要控制好炮孔的裝藥量，實(shí)現(xiàn)既對(duì)巖石進(jìn)行碎裂破壞，又不至于碎石拋出損壞設(shè)備，因此，單孔裝藥當(dāng)量按照式（3）計(jì)算：

式中：Q 為單孔藥量，kg；e 為爆破系數(shù)，1.0～1.3；q 為炸藥標(biāo)準(zhǔn)消耗，0.2～0.35 kg/m3；g 為炮孔堵塞系數(shù)；l 為炮孔深度，m；ω 為最小抵抗線，m；nc為孔深對(duì)藥耗影響系數(shù)。將上述工程數(shù)據(jù)e=1.0、q=1.35、g=1.2、l=1.6 m、ω=1.2 m、nc=1.3代入計(jì)算可得單孔藥量應(yīng)控制在0.655 kg，取整數(shù)得藥量0.6 kg，結(jié)合《煤礦安全規(guī)程》中相關(guān)要求，對(duì)炮孔各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 8108 工作面爆破孔設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 2 Blasting hole design parameter of No.8108 Face

3.2 深淺爆破孔布置方式設(shè)計(jì)

結(jié)合工作面切眼頂?shù)装鍘r性和巖層傾角，爆破孔設(shè)計(jì)為五花眼布置，鉆孔孔徑使用42 mm 直徑鉆頭施工，裝藥卷為35 mm，淺孔孔深為1.6 m，間排距為1.5 m×0.7 m，頂板鉆孔仰角為+20°，底板鉆孔俯角為-10°，中間煤孔垂直煤墻施工，在煤巖結(jié)合面處增大孔間距為1.75 m，確保最小抵抗線不小于1.2 m，封孔不小于0.5 m，正向裝藥，不耦合可控系數(shù)為1.2，分組起爆[4]。

在8108 工作面回風(fēng)巷（2018 巷）施工深孔爆破鉆孔，炮孔間距1.2 m，孔徑55 mm，裝藥直徑35 mm，不耦合可控系數(shù)為1.57，頂板鉆孔仰角為+13°，每組設(shè)計(jì)鉆孔數(shù)量15 個(gè)，布置方式如圖2所示。

圖2 深淺爆破孔布置方式Fig.2 Arrangement of deep and shallow blasting hole

3.3 執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與要求

為保護(hù)好工作面切眼內(nèi)的支架等設(shè)備，在切眼內(nèi)施工的淺孔炮孔裝藥量較少，且施工數(shù)量也少，可實(shí)現(xiàn)直接起爆，但爆破順序必須明確要求，即先爆破煤巖結(jié)合面區(qū)域炮孔，再起爆火成巖區(qū)域炮孔，由于火成巖侵蝕區(qū)域和斷層共同影響區(qū)域的頂板巖性多為質(zhì)地堅(jiān)硬的粉砂巖、細(xì)砂巖，該區(qū)域炮孔裝藥量大，為了避免炮后碎矸損壞設(shè)備，可進(jìn)行分次起爆，每次爆破5～6 個(gè)炮孔，放炮后注意檢查炮眼內(nèi)的殘藥情況，及時(shí)處理“瞎炮”，避免存在安全隱患。

放炮前，必須由放炮員親自檢查裝藥連線情況，避免雷管腳線接頭與煤巖壁接觸，造成接地短路，無(wú)法正常起爆，若裝藥點(diǎn)風(fēng)速高，無(wú)法有效確保腳線接頭不接地，則可使用防水膠布進(jìn)行纏繞包扎，避免接觸短路，同時(shí)檢查封孔質(zhì)量是否合格，避免出現(xiàn)“啞炮”、“嗆炮”，影響爆破效果。

當(dāng)爆破地點(diǎn)頂板巖石破碎，炮后無(wú)法及時(shí)拉超前架支護(hù)時(shí)，可適當(dāng)減小回風(fēng)巷深孔和切眼內(nèi)淺孔的裝藥量及封孔長(zhǎng)度，避免爆破壓力過(guò)大對(duì)頂板造成破壞，釋放頂板應(yīng)力后導(dǎo)致冒頂事故發(fā)生，因此，在減少裝藥量的同時(shí)，還要減少分次起爆的炮孔個(gè)數(shù)，確保封孔質(zhì)量，堅(jiān)持破碎帶附近的炮孔殘藥檢查效果，杜絕出現(xiàn)炮眼內(nèi)炸藥殘留。

4 技術(shù)應(yīng)用效果與價(jià)值分析

8108 采煤工作面在回采至火成巖侵蝕帶與復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域時(shí)，工作面支架受到放炮影響，多數(shù)立柱伸縮缸磨損出現(xiàn)漏液、卸液現(xiàn)象，支架底座和刮板輸送機(jī)機(jī)槽磨損嚴(yán)重，割煤機(jī)截齒更換量也增大，正常情況每天更換不超過(guò)3 個(gè)，過(guò)構(gòu)造期間更換量最大達(dá)到14 個(gè)，若增加炮眼施工密度則會(huì)影響每班放炮效率，增大勞動(dòng)強(qiáng)度，技術(shù)應(yīng)用前每天只能回采兩刀，推進(jìn)度1.6 m，單日產(chǎn)量3 300 t左右。

經(jīng)過(guò)深淺爆破孔聯(lián)合設(shè)計(jì)應(yīng)用后，深淺炮孔對(duì)不同深度和不同層位巖石的爆破效果疊加影響，更好地產(chǎn)生巖體內(nèi)裂隙擴(kuò)張程度，提高了放炮效率，經(jīng)過(guò)松動(dòng)爆破，每天可回采五刀，推進(jìn)度4.0 m，單日產(chǎn)量提高到7 600 t 左右，加快了工作面過(guò)復(fù)雜構(gòu)造帶的推進(jìn)速度，創(chuàng)造了安全生產(chǎn)環(huán)境。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)工作面實(shí)際探查揭露和三維地震勘探確定的構(gòu)造位置、產(chǎn)狀，以及火成巖侵蝕條帶延伸方向等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造體對(duì)工作面回采造成的安全影響進(jìn)行評(píng)估，明確構(gòu)造帶附近的煤巖層性質(zhì)，從而制定了深淺孔聯(lián)合爆破方式進(jìn)行頂?shù)装迤茙r的回采方案。

（2）通過(guò)采取深淺孔聯(lián)合爆破的方式進(jìn)行采面推進(jìn)，結(jié)合頂?shù)装鍘r性變化，頂板巖石完整性和破碎程度進(jìn)行綜合判斷，及時(shí)調(diào)整單孔裝藥量、起爆順序和起爆數(shù)量，有效避免因爆炸的瞬時(shí)能量造成頂板二次破壞，不利于切眼超前支護(hù)，降低了冒頂事故發(fā)生的可能性。

（3）通過(guò)調(diào)節(jié)每天綜采隊(duì)的日常作業(yè)內(nèi)容，將設(shè)備檢修、油管更換等活動(dòng)，與打設(shè)炮眼、裝藥放炮等實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)，有效減少了因爆破作業(yè)造成的生產(chǎn)時(shí)間的影響，將過(guò)構(gòu)造期間原有的每天兩刀任務(wù)量，提高到每天5 刀任務(wù)量，提高產(chǎn)能近一倍，實(shí)現(xiàn)高效過(guò)構(gòu)造區(qū)域的快速推進(jìn)。

（4）經(jīng)過(guò)上述爆破方案的基礎(chǔ)參數(shù)確定，在實(shí)踐過(guò)程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，后期還可結(jié)合工作面回采期間觀測(cè)的周期來(lái)壓數(shù)據(jù)、來(lái)壓步距、壓力強(qiáng)度、過(guò)構(gòu)造期間兩巷受到超前應(yīng)力的影響范圍等資料，制定更加詳細(xì)科學(xué)的過(guò)構(gòu)造方案，確保采面的安全施工。