提高炮采工作面塊炭率的技術實踐

李小二 倪天峰

摘要：為了提高塊炭率，增加經濟效益，基于微差爆破的基本原理，結合方莊二礦2321工作面生產實際情況，通過理論計算確定了炮采工作面微差爆破參數及施工工藝。現場實踐證明：塊炭率由原來的29%-32%提高至42%-45%，經濟效益明顯。該技術的實踐應用可為焦作礦區及類似條件下的回采工作面提高塊炭率提供參考。

關鍵詞：微差爆破 炮采工作面 塊炭率

1 概況

方莊二礦隸屬于河南能源焦煤公司，礦井1980年12月25日投產，批準設計生產能力0.45Mt/年。2006年核定生產能力0.48Mt/年，2011年復核生產能力0.48Mt/年。

主采二1煤層，煤層平均厚度為5.4m，煤層傾角為21°，煤層結構簡單，無夾矸。

2321工作面采用液壓懸移支架支護，爆破落煤，刮板輸送機運煤。工作面平均月產量3.0萬噸左右，塊炭率為29%-32%，較為偏低。經過分析后確定，主要原因是單孔裝藥量大、炮眼布置不合理造成的[1]。為有效解決以上問題，提出2321炮采工作面采用微差爆破技術。

2 毫秒微差爆破原理

微差爆破是指相鄰各組藥包爆炸間隔時間較短（幾十

毫秒），并按一定順序起爆的控制爆破技術，其作用包括[3 ][4]：

①增加自由面：采用微差爆破時，先起爆炮眼為后起爆的炮眼創造了輔助自由面，由于自由面的增加，加劇了煤巖的破碎，改善爆破效果和爆破塊度。

②利用殘余應力：當藥包在介質中爆破時，除了破碎一部分介質外，在周圍介質中也產生應力場，這種應力在后組藥包起爆時還未消失，使應力波互相迭加，增加了兩炮眼間的破碎作用，從而使爆破塊度更加均勻。

③補充破碎作用：先起爆的藥包使介質破碎并產生運動，在運動過程中能夠相互碰撞，利用動能使介質再次破碎，起補充破碎作用。

④減震作用：先后起爆的藥包爆破產生的地震波相互干擾而減弱，同時其能量在空間和時間上都分散了，大大降低了地震波的強度。

3 微差爆破參數

方莊二礦煤的容重為1.6g/cm3，爆速1200m/s，泊松比0.3，抗拉強度1-3MPa。采用煤礦許用三級乳化炸藥，密度為1.0g/cm3。裝藥直徑32mm，炮孔直徑42mm，爆壓2822.4MPa。

3.1 裂隙圈半徑的確定[5]

按爆炸應力波的作用理論

Rp=■■r

式中：Rp——裂隙圈半徑；

b——側壓系數；

b=μ/1-μ=0.3/1-0.3=0.4286

p2——孔壁煤體中的初始壓力峰值；

p2=1/8ρ0D2（dc/db）6n

=1/8×1×36002×（32/42）6×8×10-3

=2535MP

dc——裝藥直徑，32mm；

db——炮孔直徑，42mm；

n——孔壁壓力增大系數，n=8-10；

Sr——煤體的抗動拉強度，3MPa；

α——應力波衰減指數，α=2-b=1.5714；

r——炮眼半徑，21mm。

代入數據得Rp=（0.4286×2535/3）■×21

=890mm

按爆生氣體準靜態作用理論，由彈性力學中的厚壁筒理論有

Rp=r·■

式中：Pp——作用在孔壁上的靜壓力；

Pp=P（dc/db）6=2822.4×（32/42）6=552.1MP

P——炸藥爆壓，已知為2822.4MPa；

dc——裝藥直徑，32mm；

d——炮孔直徑，42mm；

r——炮眼半徑，21mm；

Sr—煤體的抗動拉強度；3MPa；

代入數據得Rp=495mm。

3.2 臨界抵抗值的確定[5]

臨界抵抗值是裝藥的內部作用與外部作用的最小抵抗線的分界值，當最小抵抗線大于該值，則產生內部作用，否則，則產生外部作用[2]。因此，可由臨界抵抗值來作為裝藥深度的參考依據。

按爆炸應力波理論，臨界抵抗線可按下式計算

Wc=[（R+b）p2/Sr]a-1r

式中R——反射系數；

p2——孔壁煤體中的初始壓力峰值；

r——炮眼半徑；

sr——煤體的抗動拉強度；

α——應力波衰減指數，α=2-b；

B——側壓系數；

代入得Wc=[■]■×21

=1236mm

按爆生作用氣體理論，臨界抵抗線可按下式計算

Wc=kr■

代入數據得，Wc=1186mm

由以上計算可知裂隙圈半徑為0.495-0.890m；臨界抵抗值為1.186-1.235m。

由此得炮眼間距E和最小炮眼長度L為：

E=2Rp=1.0-1.78m，L=Wc=1.186-1.235m。

理論計算表明，煤體中的預裂松動爆破合理間距為1.0-1.78m，最小炮眼深度為1.186-1.235m。

根據2321工作面的煤層產狀及采高等條件，結合以上理論計算，確定工作面炮眼布置為五花眼，炮眼間距取1.1m，炮眼深度取1.0m，炮眼的水平夾角取75°。

3.3 裝藥量的確定

裝藥量是影響微差爆破效果和安全的重要因素，合理的裝藥量應有良好的松動和預裂效果，且不崩壞支架[2]。根據方莊二礦煤層實際情況，結合日常炸藥消耗經驗值0.12-0.20kg/m3，確定頂眼、腰眼裝藥量為0.15kg/孔，底眼裝藥量為0.3kg/孔。

炮眼布置三視圖如圖1所示，爆破圖表如表1所示，裝藥結構如圖2所示。

3.4 爆破工藝說明

采用安全等級不低于三級的煤礦許用含水炸藥，采用合格的煤礦許用毫秒延期電雷管，最后一段延期時間不得超過130ms。按設計要求的起爆順序裝雷管，串聯連線方式，正向裝藥爆破。炮眼封孔使用水炮泥，外用粘土封實，水炮泥每孔一卷，每個炮眼封泥長度不得小于0.5m。

一次起爆長度應根據頂板狀況、輸送機的運輸能力、發爆器的起爆能力及通風能力而定。頂板條件好時一次爆破長度不超過20m。工作面頂板條件不好或遇廢巷時進行隔段爆破，最多同時爆破兩段，但每段不得超過6m。

4 通過在方莊二礦推廣微差爆破應用，總結出的優點

①減少了爆破引起的拋擲煤量，減輕了工人的攉煤時間和體力消耗。在使用微差爆破以前，有一半的煤會拋過刮板輸送機；采取微差爆破后，煤幾乎原地不動，拋過刮板那輸送機的煤只占10%左右。

②改善了頂板的安全條件，有利于采場的支護工作。采取微差爆破后，由于一次起爆的炮眼數較多，爆破時間存在間隙，產生的地震波相互干擾，相互抵消，明顯減輕了對頂板的破壞程度。

5 產生的經濟效益

方莊二礦用30×30mm篩子選出塊炭，按此尺寸，應用松動預裂微差爆破技術后，2321回采工作面的塊炭率由原來的29%-32% 增加到現在的42%-45%，按末煤與塊炭的平均差價350元/噸，2321工作面月產量3.0萬噸計算，增加效益近150萬元，經濟效益明顯，具有長期推廣應用前景。

6 存在的問題及建議

①微差爆破的相關參數與工作面的通風、瓦斯、煤層頂底板、煤體硬度等情況密切相關，在現實應用中應根據工作面相關條件變化及時調整爆破參數。

②應從思想及技術上加強對工人的教育培訓，特別是基層區隊管理人員，要通過市場化的手段將塊炭率的高低與職工工資掛鉤，讓職工從思想上轉變意識。技術人員要不斷指導職工從技術上提高實際操作能力，在現場應用中不斷優化總結，從而確保微差爆破技術安全高效的推廣。

參考文獻：

[1]周占雄.提高中小型煤礦塊煤率的有效途徑[J].山西焦煤科技，2005，12：32-33.

[2]戰軍，梁為民，楊小林，等.提高炮采面塊煤率的松動預裂微差爆破新技術[J].礦冶工程，2004，24（4）：4-6.

[3]李立豐，唐世界，韓松林，等.利用微差爆破提高綜采塊煤率的研究[J].中州煤炭，2011，4：19-20.

[4]呂建青.井巷工程.中國礦業大學出版社，2007，11.

[5]員小有，楊小林，等.預裂松動爆破在炮采放頂煤工作面的應用[J].煤，2000（04）.

作者簡介：李小二（1982-），男，河南輝縣人，大學本科，學士學位，2012年畢業于河南理工大學，現任河南能源化工集團焦煤公司方莊二礦技術部副部長，現從事煤礦生產技術管理工作。