深孔爆破預裂隱蔽構造機理及區(qū)域治理技術研究

景笑龍,王海峰,郭興新

(1.潞安化工集團 余吾煤業(yè)有限責任公司,山西 長治 046204;2.河南理工大學,河南 焦作 454000)

20世紀,大口徑深孔爆破開采技術得到了快速發(fā)展,因其高落礦率、低成本和安全性高,在厚大礦體的開采中得以廣泛應用[1]。我國于1977年開始大直徑深孔爆破落礦技術研究,于1984年在凡口鉛鋅礦成功試驗了大直徑深孔球狀藥包爆破落礦工藝技術[2]。目前,依據爆破位置可劃分為淺層爆破與深層爆破,淺孔爆破受采煤機過煤高度的影響,大塊巖層卡絆刮片,容易引發(fā)斷鏈事故,在巖石拋擲時容易造成頂板冒頂事故,導致倒架,且淺層爆炸破碎一次處理巖石1～1.8 m,平均推進速度為每天1刀,工作效率低下。而在深孔爆破起爆后,會在巖石中產生爆破裂隙,從而使巖石的強度下降。在深孔爆破后,巖體被炸脆,在采煤機截切的作用下被破碎成小塊的巖石,這樣就解決了淺層爆破巖石拋擲現象,對端面頂板的維護也有很大幫助。與此同時,深孔爆破處理陷落柱的爆破深度可以達到30～50 m,可以顯著地提升生產效率。因此深孔爆破技術在爆破效果、工程推進與產量和對頂板的影響等方面對煤儲層卸壓抽放具有優(yōu)勢,其中水力割縫、深孔爆破技術應用廣泛。

閆立恒等[3]針對深部高瓦斯煤層開采時圍巖受“三高一擾動”影響導致沖擊地壓事故頻發(fā)等問題,提出人造高位破碎層治理工作面回采期間沖擊地壓的區(qū)域卸壓防沖技術來保證綜采工作面回采期間的安全生產問題;劉團結[4]結合涼水井煤礦42101綜采工作面采用深孔預裂爆破進行強制放頂工程實踐的成功,總結了一套深孔預裂爆破煤開采的放頂經驗,推動了深孔預裂爆破在煤礦強制放頂中的應用;楊凱[5]針對晉北煤業(yè)5-409工作面因受斷層巖石帶影響范圍大的問題,采用深孔爆破后,割煤機可順利切割直接通過斷層巖石帶,且采煤機基本沒有額外損耗,取得了良好效果。沈雪梅[6]以沁新煤礦1025工作面作為試驗地點,結合礦井煤層頂底板地質條件,設計“預裂深孔爆破切頂卸壓沿空留巷技術”方案,通過對1025下巷道進行補強支護后,在巷道采空側頂板施工深孔預裂爆破,實現對工作面頂板的預裂卸壓,緩解了礦井采掘接替緊張,增加了回采率,提高了礦井經濟效益。趙興東等[7]根據三山島金礦2 005 m超深豎井的工程技術條件,結合其所穿越地層的工程地質情況,總結出了采用雙重傘形鉆開大直徑深孔、導爆管起爆、光面爆破等爆破技術,并進行了爆破參數的優(yōu)化設計,獲得了較好的爆破效果,炮眼利用率達85%以上。呂宏[8]結合工程實例,分析了中深孔爆破技術,并結合礦井開挖的工作特點,論述了該技術的應用重點,包括:依據現場情況,對工藝進行了合理的優(yōu)化,重視施工過程中的質量和安全,并提出了拒爆現象的原因及處理方法。尹忠昌等[9]采用理論分析、室內模型試驗、數值模擬、現場測試等手段,對超深孔炮泥封堵機理、封堵方式、封堵材料的選取、封堵長度等進行了深入的研究,得到了超深孔炮泥封堵的最佳封堵方式和封堵參數,并給出了合理的最小封堵長度,證實了超深孔炮泥封堵能夠有效降低爆生氣體逸出,使爆炸能量更好地集中在巖層深處。結果表明:在爆破過程中,爆破應力波和爆生氣體的協(xié)同作用能有效地提高爆破效果。趙云龍[10]在對兩種以上的現場爆破安全管理技術、施工材料方案和掘進爆破的主要施工參數進行了多次的設計實驗后,得出了在巖巷爆破方案中采用的深孔爆破施工技術方案,應該能夠與光面爆破裝備等相結合,從而實現了爆破工程的整體施工和整體進度的極大提升,同時還能夠大幅度地減少施工機械和材料的一次性消耗,從而提高工程的經濟效益。于建新等[11]從水下深孔爆破的特性出發(fā),通過理論分析和數值計算,對不同起爆部位引起的圍巖破壞進行了深入的研究。在水下單孔爆破中,底部起爆方式對圍巖的破壞強度要小于中點和三分點起爆方式,但是對上部水體影響大;中點爆破時,對周圍水體的影響最小,而對周圍巖體的影響最大;多孔爆破破壞面積隨炮孔數量的增多呈水平方向擴展,在爆轟區(qū)的兩側角部均有幾條水平方向和縱向方向的裂縫,而且裂縫還會隨著炮孔數量的增多而不斷擴大。武建偉[12]基于數值軟件LS-DYNA建立了“五花眼”爆破計算模型并結合實際礦井爆破工程證明了高地應力下“五花眼”深孔爆破起到了良好的硬巖致裂效果,同時采用多物質流固耦合計算方法,探究不同應力場下裂紋擴展差異性,發(fā)現爆破作用初始階段載荷遠高于地應力,尤其是對于爆破粉碎區(qū)、裂隙區(qū)更為顯著,若要使炮孔間裂紋更加貫通,則炮孔應盡可能沿最大主應力方向布置。

本文總結深孔爆破的機理并結合深孔爆破模型分析爆破半徑和效果。通過在山西余吾礦S5101工作面過DX6陷落柱的應用,取得了良好效果,為低滲煤層瓦斯抽采提供了良好借鑒。

1 深孔爆破的機理

綜采工作面所采煤層整體地質條件復雜,具有強沖擊、高瓦斯、易自燃的特點,還存在區(qū)段煤柱、聯絡巷橫穿等問題。深孔爆破就是在目前尚未具備開采煤層的條件時,通過合理優(yōu)化高位鉆場、鉆孔分布及裝藥量等,對揭露構造的硬巖介質采用大直徑藥卷進行預先擴裂爆破,在爆破作用下讓巖石實現充分的裂隙發(fā)育,使整層堅硬巖層裂隙充分發(fā)育,達到局部破壞的目的,從而不具備積聚彈性能的條件。深孔爆破之后,硬巖介質完整性和強度降低到設備的切割能力范圍內,再組織正常生產。這樣不僅使掘進機或采煤機截割順利,保護了采掘設備,而且提高了采掘設備的生產能效,降低了設備消耗,降低了生產成本,縮短了輔助作業(yè)時間,大大提高了生產效率。人造破碎層切面示意與爆破裂隙發(fā)育如圖1所示[3]。

圖1 人造破碎層切面示意與爆破裂隙發(fā)育

2 深孔爆破理論模型

2.1 巖石屈服破壞準則

由于巖石具有非均質性、復雜性、各向異性以及在大應變、高應變率、高壓的條件下易遭到破壞等特點,因而可以將采區(qū)礦巖近似視為脆性材料進行計算,因此,本研究采用一種塑性材料的本構模型H-J-C模型。

礦巖的屈服破壞準則。根據相關研究,Mises屈服破壞準則適用于爆破過程中的粉碎區(qū)是由于有自由面的巖石,爆炸破壞為拉伸破壞;沒有自由面的巖石,爆炸破壞為壓破壞。而自由面裂紋區(qū)采用拉伸破壞準則,將爆炸作用下巖石單元的有效應力與巖石的動態(tài)抗拉強度和動態(tài)抗壓強度相比較,可以判定巖石破壞情況[13]。

巖石動態(tài)抗壓強度計算公式:

式中:σcd為巖石動態(tài)抗壓強度,MPa;σc為巖石靜態(tài)單軸抗壓強度,MPa;ε為巖石加載應變率。

巖石的動態(tài)抗拉強度計算公式:

2.2 地應力及爆炸荷載的施加

以礦井地應力測量資料為依據,礦區(qū)的最大主應力軸接近于水平,這說明礦區(qū)的地應力主要是由水平應力控制,而地下工程的變形破壞痕跡也說明了礦區(qū)是由水平作用的構造應力所控制,礦區(qū)垂直地應力和水平地應力計算公式如下:

σv=γH

σH=3+0.042 5H

式中:σv為垂直應力,MPa;σH為平均水平應力,MPa;γ為容重,取0.027 MN/m3;H為埋深,m.

為了模擬鉆孔爆破,可以將徑向壓力波施加到鉆孔表面的單元上。壓力波的幅度和持續(xù)時間可以由炸藥的密度、猛度、鉆孔尺寸和幾何形狀等決定。為了表示大范圍的鉆孔壓力,使用以下一般形式的爆炸壓力波脈沖函數[14]:

式中:P0為爆炸沖擊波的峰值壓力,GPa;t0為達到峰值壓力的時間,s;a、β為爆炸壓力沖擊波的衰減系數。

礦山采用巖石粉狀乳化炸藥,炸藥的基本參數如表1所示,根據表1中的炸藥基本參數和爆炸脈沖函數,取β/α=1.5[4-5],可以得到該炸藥的爆炸壓力曲線,如圖2所示。

表1 炸藥的基本參數

圖2 爆炸壓力的時間歷程曲線

3 深孔爆破的應用

3.1 工作面概況

文章以S5101工作面過DX6陷落柱為研究對象,采用深孔爆破的方法來提高工作效率。工作面揭露的DX6陷落柱巖性為泥質充填,中間夾塊狀砂巖、泥質砂巖,影響推進距離110 m,推進至77 m時試驗超深孔爆破技術,如圖3所示。構造揭露情況:123號架～133號架底石頭0.5～2.8 m,134號架至機尾全斷面石頭。根據陷落柱揭露情況以及煤巖之間的相互關系,在152號架～186號架設計布置35個超深炮孔,炮孔直徑80 mm、深度30 m,采用ZRZ31.5-210/300型架座式乳化液鉆機施工。

圖3 DX6陷落柱平面圖

3.2 炮孔布置

根據單位工作面長度裝藥量的要求,擬采用Φ63 mm×1 000 mm的裝藥殼體,每米能裝山西焦煤民爆集團潞安公司生產的三級煤礦許用乳化炸藥3 kg.根據理論研究成果計算其爆破擴裂半徑約為1.08 m,且考慮鉆孔設備最低鉆孔高度的約束等因素,本設計在工作面內布置2排“之字形”炮孔,擬取工作面底板高度1.2 m的位置布置第一排鉆孔,第二排離第一排炮孔0.7 m進行布孔,同排孔間距為3.0 m.兩排炮孔布置方案如圖4所示。

圖4 各鉆孔的位置關系圖(單位:m)

根據綜放工作面陷落柱的揭露情況以及煤巖之間的相互關系,為了保證回風巷的穩(wěn)定性,在靠近回風巷一側,炮孔從185號架處距離巷道9 m開始布置;又因120號架至152號架處的頂上有煤層分布,且?guī)r層厚度小于3 m,為了保證爆破后回采時頂板的安全,決定從152號架至185號架之間才布置超深炮孔,具體布孔方式如圖5所示。炮孔沿工作面方向平行布置,第一階段炮孔深度取30 m,第二階段炮孔深度根據陷落柱邊界確定,其炮孔深度原則上是以見煤停鉆為原則。

圖5 炮孔布置示意

通過對潞安民爆公司3級煤層許用的乳化炸藥的分析,結合以往的爆破實踐,提出了一種新的裝藥方案,1 m的裝藥容量為3 kg.由于超深孔爆破的單孔裝藥量很大,所以,在爆破過程中,為保證安全,采取了一種使用毫秒微差爆破的方法,來控制一次爆破的總裝藥數量,并通過試驗來確定炮孔長度,從而推算出試驗爆破的總裝藥數量。因現有煤礦許用毫秒電雷管只有5個段別,現單段最大起爆藥量為72 kg,每次起爆5個孔,則每次起爆的炸藥總量最大為360 kg,封孔長度不低于6 m.

3.3 深孔爆破的優(yōu)勢

相比于深孔爆破前,進行深孔爆破后,每天檢修班對局部巖石較硬區(qū)域放40個淺孔炮,放炮影響時間4.5 h,放炮時間縮短了55%,深孔爆破區(qū)域截割時巖石呈小塊狀,未出現大塊矸石堵塞機組過煤口現象,正規(guī)循環(huán)提升100%,刀齒消耗降低46%,深孔爆破技術的應用提高了煤炭資源回收率;降低了機械故障發(fā)生率,增加了正常的運行周期,從而進一步提高了工作效率;由于不需要搬遷倒面,更有利于開采的銜接,減少了安裝、回收及大型設備的起吊、運輸等特殊的環(huán)節(jié),從而保證了安全生產。

4 結 語

1) 與淺孔爆破相比,深孔爆破在巖層中形成了多條裂縫,從而降低了巖層的強度,并且在深孔爆破之后,巖層會變得松散,在采煤機的切割下,巖層會碎裂成更小的巖層,并且爆破時不會出現拋石的情況,這對斷面頂板的維護有很大幫助。

2) 在工作面上利用深孔爆破技術可提高工作面穿越較大構造時的工作效率,并可控制生產費用,減少爆炸危險,而利用超深孔爆破擴展技術可使工作面快速向前推進,提高了生產效率,減少了生產費用,保證了采礦工作的安全性。