綜采工作面過陷落柱深孔預裂爆破技術優化研究

劉 沖

(山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400)

隨著淺部煤炭資源開采殆盡，以及機械化程度的不斷提高，安全、高效提高煤炭資源回采利用率是煤炭可持續發展的基本要求。巖溶陷落柱作為一種分布廣、影響范圍大的地質構造給礦井的開掘部署及正常的回采活動帶來了較大的影響[1-4]，目前絕大多數綜采工作面在通過部分巖性強度較高的非導水陷落柱時仍采用的是平推硬過、潛孔爆破等常規技術手段，不僅效率低、刀齒磨損嚴重而且還存在較大的安全隱患[5-7]。

深孔爆破技術通過對鉆孔參數、藥卷直徑、封孔長度的合理設計可以高效的完成對陷落柱內厚硬巖體的一次性預裂爆破，從而提高工作面通過陷落柱構造區的效率及安全性[8-10]。鑒于此，本文以山西新元煤礦3207綜采工作面過堅硬陷落柱為工程背景，針對煤系地層賦存及開采技術條件，研制了PVC管組合裝配式擴裂彈體及裝藥器，結合LS-DYNA軟件的數值模擬結果設計了針對X140陷落柱的深孔爆破方案。

1 工程概況

新元煤礦3207工作面采用傾斜長壁后退式采煤法，工作面走向長267.4m，推進長度為1423m，3207工作面布置如圖1所示，其中，開采煤層平均厚2.73m，偽頂為高嶺石泥巖厚0.25m，直接頂為灰黑色砂質泥巖厚3.50m，基本頂為灰白色中粒砂巖厚2.75m。煤層及頂底板巖層具體巖性如圖2所示。

圖2 煤系地層綜合柱狀圖

3207工作面推進過程中遇到了巖性強度較高的X140陷落柱，X140陷落柱切入到工作面內的最大寬度為40.26m，在工作面推進方向的延展長度為99m，陷落柱內以白砂巖發育為主，陷落柱位置如圖1所示。

2 擴裂彈體與裝藥器的設計與研發

在進行深孔預裂爆破之前，能否順利把所需炸藥包裝到設計的制定位置，是實現深孔爆破的關鍵。目前在煤礦實際爆破過程中，多采用柔性較大的乳化炸藥。以新元煤礦3207綜采工作面過堅硬陷落柱為例，在炮眼鉆鑿過程中，一方面由于陷落柱內白砂巖多呈塊狀分布且為泥質膠結，成孔后部分孔段孔徑變形較大；另一方面鉆孔完成后，炮孔內的巖粉清洗困難。以上兩方面的原因使得藥包在推送過程中很容易破損或被“卡塞”在炮孔中，導致裝藥困難或藥包不連續，從而影響預期的爆破效果，并且殘留的炸藥也會為后續生產帶來安全隱患。為解決上述兩個技術難題，設計研發了PVC管組合裝配式擴裂彈體及新型裝藥器。

2.1 PVC管組合裝配式擴裂彈體

PVC管組合裝配式擴裂彈體，各段彈體壁厚1.5mm，彈體外徑63mm，裝藥長度1000mm，裝藥密度1.1g/cm3，裝藥重量2.95kg，如圖3所示。整個彈體最前端為錐形結構，可以順利推過不光滑的炮孔和巖粉堆積處。各擴裂彈體之間采用絲扣連接，不僅可以在裝藥過程中發生卡塞時，藥柱能夠承受推拉作用，而且保證了藥包與藥包之間連接的緊密性，有效杜絕了藥卷間距過大而產生的失爆現象。另外，PVC材料具有良好的阻燃性和化學穩定性，而且在爆炸環境下，不與瓦斯、煤塵發生化學反應，因此可以滿足井下深孔爆破作業的要求。

圖3 裝藥殼體及其連接

2.2 裝藥器設計

深孔擴裂爆破的炮孔很長，為了保證構件在有足夠強度和剛度的前提下，達到輕量化的目的，研究設計了新型管狀裝藥器，如圖4所示。該型裝藥器的單根管長為1.5m，直徑40mm，壁厚2mm。在材質上選用6063鋁合金，其屈服極限和抗拉強度分別為196MPa和253MPa，因此可以保證裝藥器克服孔壁摩擦力將裝藥殼體送入指定位置，同時為了方便對深孔進行吹孔和沖洗，連接件也采用了中空設計。

圖4 裝藥器連接件

3 深孔預裂爆破優化

3.1 爆破參數確定

LS-DYNA是通用的顯示動力分析程序，它被廣泛的運用在裝藥結構優化、爆破裂紋擴展等眾多非線性動力沖擊問題的研究當中[11-15]。根據3207工作面的實際地質條件，本文利用LS-DYNA軟件對不同直徑藥卷的擴裂半徑進行了數值模擬研究，陷落柱內巖體的力學參數見表1。

表1 巖石材料模型力學性質參數

爆破完成后不同藥卷直徑下的止裂形態如圖5所示，由圖5可知，爆破沖擊波在轉化為應力波后，應力波在孔壁呈同心圓的形狀，隨著應力波傳播距離的增大及能量消耗破壞巖石的增加，應力波呈逐漸衰減的態勢。通過對裂紋長度的測算可知，裂隙區的半徑約為藥卷半徑的32倍，以裂紋的分布密度來看，深孔爆破完成后對機組的通過比較有利。

圖5 不同藥卷半徑下的止裂形態

為了直觀反映巖體在爆破載荷作用下的力學性質，在模型上距離爆孔中心50cm、150cm、200cm、250cm的位置布測四個應力測點，記為A、B、C、D，如圖6所示。

圖6 模型測點

四個單元的應力時程曲線如圖7所示。通過分析曲線可以發現，各單元應力峰值出現的時間及強度與炮孔的中心距離成反比，炮孔周圍巖體的受力狀態呈現出先壓后拉的特性，并且壓應力峰值的絕對值遠大于拉應力峰值的絕對值。

圖7 四個測點的有效應力—時間曲線

六種工況下的最大裂隙區半徑見表2。通過對表2中的數據進行擬合得到了以裝藥半徑為因變量、以裂隙區半徑為自變量的線性回歸方程，如圖8所示，整個方程的R2達到了0.994。由回歸方程可得，當藥卷直徑為63mm時，裂隙區的直徑為2016mm。結合工作面3m的采高及相關工程經驗可知直徑為63mm的藥卷可以滿足工程需要，鉆孔中位處于采高的一半的位置，波動200mm處布孔。

表2 裝藥半徑與裂隙半徑統計

圖8 裝藥半徑與裂隙區半徑線性擬合

本次深孔預裂爆破在3207工作面輔助進風巷1內進行，根據《爆破安全規程》(GB 6722—2014)的規定，深孔爆破指炮孔直徑大于50mm，并且深度大于5m的爆破作業。因此從距陷落柱左側揭露邊緣10.56m處開始，沿工作面推進方向以2.5m為間距在85m長的區域內布置爆破深孔，孔深控制在5～36m之間，炮眼布設如圖9所示。為了保證安全，一次爆破總藥量均控制在200kg以內，所有炮眼在裝藥方式上均為正向裝藥，各起爆雷管之間分批次串聯完成后接到發爆器上。具體爆破參數見表3。

表3 爆破參數表

3.2 填塞工藝

深孔爆破的填塞工藝不但關系到爆破效果的好壞也關系到爆破的安全。因此，需要根據深孔爆破的不同目的，對炮孔進行針對性的填塞。本次實驗所采用的封孔炮泥先由黃土與砂按3∶1的比例加水混合均勻后，然后再加工成?60mm長200mm的圓柱形。由式(1)計算得出，安全封孔長度為6m。

L≥nR/(2fλ)

(1)

式中，R為現場試驗爆破孔半徑，取47mm；f為側壓系數，取0.3；λ為摩擦因數，取0.02；n為綜合影響系數，取最大值1.5。

經計算得封孔長度L≥5.9m。

4 現場工業性試驗

4.1 爆破效果

深孔爆破均是在半無限體內進行大藥量的爆破作業，由于爆破區域沒有有效的補償空間，其炸藥爆炸所產生的大量爆炸能量和爆生氣體需要在爆破區域內消耗，消耗速度除與爆破填塞有關外，還與爆破擴裂巖石的裂隙擴展速度和爆破區域內原巖裂隙的發育程度有關。盡管X140陷落柱內白砂巖較多，完整性好且較堅硬，但這些白砂巖呈塊狀的較多，且膠結一般為泥質膠結。所以在爆破過程中其能量耗散較快，為爆生氣體提供了較大的膨脹補償空間。

深孔預裂爆破結束后，對炮孔的爆破效果進行統計。其中，除了5號孔由于炮泥充填質量較差，爆破后炮泥被沖出，1—17號孔均未出現較大的沖孔現象；18—19號孔在爆破時出現了爆破漏斗拋擲現象，沖出了較多的巖石，分析原因主要是該區域內巖性較好并且裝藥量較大而導致的；20—35號孔均既無封孔炮泥被沖出，也未發生爆破漏斗拋擲現象。

4.2 試驗數據統計

1)3207工作面在通過X140陷落柱之前，先通過了一個與其巖性相近的X165陷落柱，并采取了潛孔爆破的措施。X165陷落柱累計推進31.8m，截齒消耗396把，用時9d，截齒平均消耗12.45把/m，工作面平均推進速度為3.53m/d。

2)3207工作面在X140陷落柱深孔爆破實施區累計推進85m(指1#～35#炮眼布設區段)，消耗截齒270把，用時21d，截齒平均消耗3.18把/m，工作面平均推進速度4.05m/d。

3)通過對比以上數據可以發現采煤機通過X140陷落柱爆破擴裂區的截齒消耗量比X165陷落柱時降低了74.5%，工作面推進速度提高了14.7%。

4 結 論

1)針對堅硬陷落柱巖性而研制的新型PVC組合裝配式擴裂彈體可以保證柔性乳化炸藥準確送達炮眼指定位置，提高了各藥包間耦合程度。另外，鋁合金管裝藥器不僅方便安裝而且中空式的連接頭設計可以完成對深孔的吹孔和沖洗作業。

2)根據LS-DYNA模擬結果可知本次爆破選用的藥卷直徑為63mm，炮眼的間距確定為2.5m，封孔炮泥長度在1.5～6m之間，鉆孔深度控制在5～36m范圍內，一次爆破總藥量不超過200kg。

3)現場工業性試驗表明深孔預裂爆破技術在新元煤礦3207綜采工作面過堅硬陷落柱時取得較好的應用效果。其中，爆破完成后92%的炮孔的爆害程度均在可控范圍之內，并且使截齒消耗量降低了74.5%，工作面推進速度提高了14.7%。