聚能管輔助深孔松動爆破技術研究

文/劉殿平 王海明

在煤礦工作面回采過程中，受同采區內附近工作面的采動影響，常常會引起回采巷道頂板下沉、兩幫移動和底鼓等礦壓顯現；個別工作面由于煤層頂板巖性好，不容易落板，造成采空區懸頂面積過大，還存在突然落板摧垮工作面或采空區積聚瓦斯突然涌出造成瓦斯爆炸、爆燃的風險。深孔松動爆破斷裂頂板的方法是解決以上問題的有效方法，但是在實際應用中存在著爆破效率低、效果不明顯等多種問題。實踐中，開灤能源化工股份有限公司呂家坨礦業分公司采取以聚能管輔助乳化炸藥進行深孔松動爆破的技術，較好地彌補了傳統爆破技術的不足，達到提高裝藥效率、頂板斷裂可控的良好效果，助推工作面實現安全高效開采。

一、聚能管爆破斷裂懸臂梁技術

聚能管主要是由PVC制成，兩側設置V形聚能穴，配備裝藥管道的一種裝置，將藥卷一次性放在聚能管內部，采用不耦合裝藥方式，爆炸后，靠近聚能穴積聚的爆炸能量，通過聚能穴的軸線方向匯聚，形成一股高密度、高速度、高壓力的氣體射流，進而產生高壓爆破能量，提高爆破效率，同時高壓、高溫氣體射流逐漸向孔隙擴展，產生定向裂隙，進而提升爆破效率。技術特性如下。

深孔爆破產生的爆轟波沿著聚能槽，將炸藥的動能和勢能轉換成高速、高能的射流，進而切割懸臂梁周圍巖石，通過爆轟波作用形成1～2cm裂縫。

射流在孔壁產生7000MPa壓力，遠遠高于巖石的動載抗壓強度（200MPa）和抗拉強度（20MPa），同時相鄰兩炮孔互為臨空面，通過壓縮波疊加，組合形成稀疏波，進而造成巖石破斷。

在炮孔準靜態氣體膨脹作用下，在兩炮孔最短連線上，在靜態壓力產生的拉力作用下，引發懸臂梁周圍巖石裂縫擴展范圍加深。

根據爆破應力集中氣刃原則，高溫、高壓爆破氣流進入爆破裂縫，進一步擴展、貫通裂隙，由點到面進而切開懸臂梁巖石。

二、工作面概況

呂家坨礦6574工作面位于-950水平五采區，開采7號煤層，軌道巷長度為1045m，皮帶巷長度為1317m，均采用14m2的金屬拱形支架支護；工作面長為187m，煤層厚度為2.2～4.2m，平均厚度為3.52m，煤層平均傾角為7°，同時6574工作面傾斜下方6572工作面已于2015年回采完畢。

6574工作面皮帶巷下方為6572工作面的軌道巷，留設煤柱為5～8m，受6572老塘頂板冒落后形成的懸臂梁結構影響，6574皮帶巷側壓較大，金屬拱形支架變形嚴重，巷道變窄嚴重影響工作面正常回采。為了解決以上問題，通過研究以及實驗對比，采取聚能管配合乳化炸藥深孔爆破方式，以達到安全高效斷裂懸臂梁的目的。

三、炮眼布置及聚能管裝藥

1．炮眼布置

在6574皮帶巷轉載機頭以外10m開始，往外打眼，炮眼沿皮帶巷方向布置單排眼，炮眼間距1.2m，眼深7.5m。開孔位置在巷道上頂正中位置，與垂直方向偏下幫夾角17°，打眼的終孔位置在泥巖層內。每次響炮不超過12個眼，要求封泥不小于2.5m。使用三級煤礦許用乳化炸藥，煤礦許用毫秒延期電雷管，正向裝藥，一次裝藥一次起爆。

2．聚能管裝藥

為了達到較好的爆破效果，要求每個鉆孔內利用聚能管裝藥3000g，使用雷管4個，每根聚能管的長度為2m，每個鉆孔要使用2根聚能管，裝藥時將聚能管管體并排放置，將炸藥緊挨著放入管體中，其中一段放入雷管，炸藥兩端放入限位裝置防止炸藥上下滑動。用連接管將兩根聚能管連在一起，讓雷管腳線從連接管內穿過，然后進入下一根聚能管，等待與下一根聚能管內的雷管進行連接，連接時保證聚能管之間連接牢固，然后輔助以電工膠帶加固。

每根聚能管安裝兩個泡沫定位塊，其作用是固定聚能管的位置和克服聚能管裝置本身的重力，保證裝置不會從孔內掉落。定位塊要用普通電工膠帶纏繞兩圈，防止脫落。

每根聚能管內的雷管先并聯，之后兩根聚能管的雷管再串聯連接，并且保證每次起爆的所有雷管全部是同一段。每次起爆的幾個孔里的聚能管之間的雷管連接也是串聯連接。

向鉆孔內送聚能管時，要保證孔內聚能管聚能槽方向均與巷道走向一致。

四、聚能管輔助深孔松動爆破技術的效果分析

6574工作面采用聚能管輔助深孔松動爆破取得的效果有以下幾方面。

1．裝藥時間明顯縮短

6574皮帶巷深孔松動爆破采用常規的裝藥方式，由于裝藥時炮眼垂直于水平，向炮眼內送藥非常困難，從送藥卷到安裝雷管再到封泥，往往1個炮眼就需要近30分鐘。利用聚能管輔助裝藥，將炮藥和雷管裝在聚能管內，裝好后直接送進炮眼內，因為有了定位塊的作用，送到位置的聚能管不會從炮眼中脫落下來，大大節省往復送藥卷的時間，單個炮眼的裝藥時間僅需要7分鐘左右，裝藥時間縮短了近4倍，大大提高了生產效率。

2．爆破效果明顯提升

常規的深孔松動爆破的裝藥方法，炸藥爆炸后產生的爆轟波是四周發散的，炮眼會被崩的粉碎，看不出來具體巖石裂縫。而采用聚能管裝藥爆破后，由于爆轟波通過聚能管的聚能槽，將炸藥的動能和勢能轉換成高壓、高速、高能的射流，切割巖石成縫，形成寬1～2cm的深縫。通過鉆孔探測儀可清晰看到爆破后產生的巖石裂縫。

3．巷道受壓明顯變小

為了更好地觀測深孔松動爆破后巷道的受壓變化情況，在6574皮帶巷安裝了巷道壓力測量裝置，測量數據如表1所示。根據統計情況看，使用聚能管裝藥爆破以來，巷道受壓有了明顯的減小。

表1 6574皮帶巷壓力觀測對比數據表

4．巷道維護工程量減小

6574皮帶巷在未進行深孔松動爆破前，由于受懸臂梁壓力，巷道變形嚴重，拱形支架受損嚴重，從6574工作面下口往外需選擇性套修200多架棚。隨著進行深孔松動爆破以后，特別是使用了聚能管輔助深孔松動爆破，巷道變形明顯減小，只需進行簡單維護就可以保證生產所需巷道斷面，巷道維護工程量大大減少。

五、效益分析

使用聚能管輔助深孔松動爆破斷裂懸臂梁，大大提高了工作效率，提升了生產效益。通過計算，每炮眼使用聚能管2根，每炮8個鉆孔，每炮投入聚能管費用約320元，而減少爆破人員配備和放大炮眼間距節省的費用約540元，那么每炮節省費用220元，每年可節省費用7.26萬元。同時良好的爆破效果，使得巷道斷面保持率提升，巷道維護工程量減小，大大減少了工程投入費用，更好地保證了工作面的安全生產。

六、結語

聚能管輔助深孔松動爆破能夠減少裝藥的時間，減少工作面爆破人員配備，減少巷道維修工程量，有效節省了成本費用，提高了安全效果。聚能管輔助深孔松動爆破技術不僅在爆破斷裂懸臂梁工作中收到了較好的應用效果，在處理采空區頂板不落、沿空留巷開采煤層巷道受壓進行頂板欲裂等方面也具有較好的推廣前景，能夠產生較大的經濟和安全效益。