深孔預裂爆破技術在綜采工作面過陷落柱中的應用分析

郝萬鵬，劉宏煜，楊亞超，趙軍利

（晉能控股煤業集團趙莊二號井，山西 長治 046000）

隨著即將開采完的淺部煤炭資源，和持續提升的機械化程度，更安全、更高效地回采煤炭資源并提高其使用率是煤炭能夠繼續發展最根本的要求。陷落柱的巖溶是一種地質構造，其分布及影響范圍都是比較大的，其影響著礦井能夠正常的進行開掘部署和回采活動，現在，幾乎全部的綜采工作面還在使用常規的技術手段如潛孔爆破、平推硬過等經過一些比較高強度的巖性的非導水陷落柱，其效率不但低，而且刀齒磨損十分嚴重，致使安全隱患存在其中。

深孔爆破技術在經過比較合理的設計封孔長度、藥卷直徑及鉆孔參數能夠使存在于陷落柱內的厚硬巖體完成一次性預裂爆破效率更高，進而使工作面安全高效地經過陷落柱構造區。為此，該論文采用的案列是晉能控股煤業集團某礦2325綜采工作面過堅硬陷落柱，關于蘊藏于煤系地層和開采技術的條件，PVC組合裝配式擴裂彈體與裝藥器被研制出來，模擬LS-DY?NA 軟件的數據并得出結果，以上三方面相結合，并設計了主要關于爆破X140陷落柱的深孔的方案。

1 本文采用案例的工程狀況

晉能控股煤業集團某礦2325工作面使用的采煤方法是傾斜長壁后退式，其工作面走向、推進長度分別為267.4m、1423m。其中，其開采煤層厚度均為2.80m，其偽頂、直接頂、基本頂使用的巖性分別為高嶺石泥巖、灰黑色砂質泥巖、灰白色中粒砂巖，其厚度分別為0.30m、3.49m、2.69m。表1 即為煤層和頂板巖層詳細的巖性表。

表1 煤系地層頂底巖性情況表

在推進2325工作面時，會與較高巖性的X140陷落柱相遇，在工作面中，X140 陷落柱能夠達到的寬度是40.26m，且為最大寬度，推進工作面并按其延展方向延伸至小于99m時其里面主要就是白砂巖，圖1即有陷落柱所在的位置。

圖1 2325工作面布置情況圖

2 研發、設計擴裂彈體和裝藥器

在未進行深孔預裂爆破時，能不能完成深孔爆破其關鍵是把設計時需要的炸藥包能否成功裝在指定位置。現在，煤礦在實際爆破的時候，使用的炸藥大多數是乳化炸藥，其有比較大的柔性。本文采用例子是2325 綜采工作面比較堅硬的陷落柱，在對炮眼進行鉆鑿時，一則，有白砂巖存在于陷落柱里面，大多數的白砂巖分布顯露成塊狀并且為泥質膠結，所以在成孔以后會有一些孔段孔徑形態發生變化，且變化比較大；二則，在完成鉆孔以后，清洗炮孔里面的巖粉十分困難。由于上面的2個原因，使被推送的藥包極易被破壞或在炮孔里面卡塞，致使裝藥十分不便或藥包斷斷續續，進而使爆破不能達到預料的成效，而且，炸藥在爆炸之后殘留的部分也會對以后的生產留下隱患。為了把上面提及到的兩個難題解決掉，PVC 管組合裝配式擴裂彈體和新型裝藥器被研發設計出來。

2.1 設計的PVC管組合裝配式擴裂彈體

在PVC管組合裝配式擴裂彈體中，其每段的彈體壁厚度、彈體外徑、裝藥長度、裝藥密度、裝藥重量分別是1.5mm、63mm、1000mm、1.1g/cm3、2.95kg。錐形結構位于成套彈體的最前面部分，能夠成功推過粗糙的炮孔及堆積著巖粉的地方。每一個擴裂彈體都使用絲扣相連，在裝藥時若有卡塞發生，推拉的力量是在藥柱能夠承受的范圍內，并確保相鄰藥包之間緊密相連，能夠很好地阻止藥卷之間由于間距比較大而導致失爆現象發生。此外，阻止燃燒和化學性質比較穩定是PVC材料的特征，并且有爆炸發生時，不會和瓦斯與煤塵有化學反應產生，所以能夠達到井下進行深孔爆破工作的條件。

2.2 對裝藥器進行設計

對深孔進行擴裂爆破時，其炮孔的長度比較長，在確保構件的強度與剛度都足夠多的基礎上，滿足輕量化的要求，新型管狀裝藥器被設計研究出來。新型管狀裝藥器的一根管的長度、直徑、壁厚分別是1.5m、40mm、2mm。使用的材質是6063鋁合金，其抗拉強度是253MPa，屈服極限是196MPa，所以能夠確保裝藥器把裝藥的外殼在孔壁極大的摩擦力下推送到設計的規定位置，并且，為了使深孔的沖洗及吹孔更加方便，所以把連接件設計成了中空。

3 對深孔預裂爆破進行優化

3.1 確定爆破的參數

LS-DYNA 是能夠顯示其動力并對其進行分析的程序并且是通用的，它在研究優化其裝藥結構、擴展爆破裂紋等許多的非線性作用下沖擊的問題中被普遍使用。按照2325工作面在實際當中的地質要求，LSDYNA 軟件被本文所使用，關于模擬研究其在直徑藥卷不同時其擴裂半徑的數據，表2即為巖石材料模型力學性質參數。

表2 巖石材料力學性質參數情況表

圖2 是在完成爆破以后不同藥卷直徑下的止裂形態，從圖2中可以看出，爆破沖擊波變成應力波之后，應力波形成同心圓的樣子顯露在孔壁上，跟著應力波不斷增加的傳播距離和逐漸增多的由于消耗了大量的能量而導致被損壞的巖石，應力波表現為逐步減弱的趨勢。經過推測計算裂紋的長度可以知道，32 倍的藥卷半徑大約就是裂隙區的半徑，根據裂紋分散的密度可知，在完成深孔爆破之后，有益于機組經過。

圖2 各種裝藥半徑下的止裂形態情況圖

為了能夠更加直接地感覺在爆破時，由于載荷的作用、巖體的力學特性，把4個應力監測點布置在模型上，其4個應力監測點和爆孔中心的距離分別為50cm、150cm、200cm、250cm，并用A、B、C、D4 個字母表示，如圖3所示。

圖3 模型測點情況圖

圖4即為4個測點的有效應力—時間曲線圖，對圖4中的曲線進行分析得知，在四個單元中每個單元在應力出現峰值的強度和時間與距離炮孔中心的位置不成正比，靠近炮孔的巖體表現出的受力特性是先壓后拉狀態，而且拉應力峰值的絕對值比壓應力峰值的絕對值要小得多。

圖4 四個測點的應力時間曲線圖

表3 即為最大裂隙區在六種工時的半徑。經過擬合表3中的相關數據，得出了線性回歸方程的因變量及自變量，其因變量及自變量分別是裝藥半徑及裂隙區半徑，由圖5 可以看出，在整個方程中，礦就有0.994。把其數據帶入方程中可知，若63mm 是藥卷直徑的時候，則2016mm就是裂隙區的直徑。與3m采高的工作面和有關的工程經驗相結合可以知道，藥卷的直徑是63mm 能夠達到工程的要求，采高1.5m 的位置與鉆孔的中心位置在同一水平線上，其鉆孔的地方位于波動200mm。

表3 裝藥半徑以及裂隙區半徑情況表

圖5 裝藥半徑與裂隙區半徑線性擬合圖

本次進行深孔預裂爆破的位置是2325工作面中的輔助進風巷1 里面，按照《爆破安全規程》(GB 6722-2014)中的相關規章，深孔爆破的爆破作業要求的是炮孔直徑與深度分別是50mm以上與5m以上。所以，爆破深孔被布置的位置是自距離陷落柱左邊裸露在外的邊緣的10.56m的地方開始，順著工作面推進的同一方向在長度為85m 的區域內每間隔2.5m 設置一個爆破深孔，并控制爆破深孔的深度范圍為5～36m。為了使安全性更高，控制一次爆破需要的總藥量要小于200kg，采用正向裝藥方式在全部炮眼上裝藥，裝藥完成并串聯之后與發爆器相連接。

3.2 填塞工藝的工作原理

填塞工藝在深孔進行爆破時不僅與爆破成效如何有關而且也與能否安全的爆破有關。所以，要按照深孔爆破各異的目的，因此炮孔的填塞也要有目的性。在此次實驗中，封孔使用的是炮泥，其比例是3份的黃土和1份的砂，按這一比例與水混合，使其均勻，繼而再制作成圓柱形，其圓柱形的長度是200mm，?60mm。把數值代入公式（1）中，通過計算得出，6m即為封孔的安全長度。

式中：R——在現場進行實驗時爆破孔的半徑，mm，取值47mm；

f——側壓系數，取值0.3；

n——綜合影響系數，取值1.5，并且是其最大值；

λ——摩擦因數，取值0.02。

通過計算得出其封孔的長度L≥5.9m。

4 在現場進行工業性試驗

4.1 爆破成效

對深孔進行爆破作業都是在半無限體內的并且藥量比較大，因為爆破區域不存在有用的補償空間，炸藥在爆炸時會有很多爆生氣體及爆炸能量產生，而爆炸區域是用來消耗其爆炸能量和爆生氣體的，消耗的快慢與爆破填塞、由于爆破導致了巖石產生裂隙其擴展快慢、爆破區域里面的原巖裂隙的發育到什么狀況有關。即使有很多白砂巖存在于X140陷落柱里面，白砂巖即堅硬又完好，而且是塊狀的泥質膠結。因此，其能量在爆破時會耗散的比較快，補償空間被提供給了爆生氣體用于膨脹，其空間比較大。

在結束深孔預裂爆破以后，統計了炮孔的每次爆破的成效。當中，因為5 號孔充填了比較差的炮泥質量，導致了在爆破之后，炮泥被沖出來，在1～17號中除了5 號其他的孔都沒有很大沖孔現象出現；在爆炸時18、19號孔有爆破漏斗拋擲的現象出現，很多巖石被沖出來，對造成這一現象的原因進行分析，得出結論是在本區域里面巖石的巖性比較好且裝了大量的藥量而造成的；20～35號孔未出現以上兩種現象。

4.2 對試驗數據進行統計

（1）在2325 工作面未經過X140 陷落柱時，首先要經過X165 陷落柱，因為兩個陷落柱的巖性比較相似，而且使用的方法是對潛孔進行爆破。共有31.8m 是X165 陷落柱推進的。消耗截齒共396 把，使用的時間是9d，截齒消耗的平均值每米消耗12.45 把，工作面推進的均速是一天推進3.53m。

（2）在X140 陷落柱中的深孔進行爆破的區域中2325 工作面共計推進了85m(即布設1#～35#炮眼的區段)，截齒一共消耗了270把，使用的時間是21d，消耗截齒的平均值是每米消耗3.18 把，工作面推進的均速是每天4.05m。

（3）經過把上面數據進行對比發現，截齒在X140陷落柱進行爆破擴裂區的消耗量和X165 陷落柱相對比下降了74.5%，工作面推進時的均速上升了14.7%。

5 總結

（1）就陷落柱具有的巖性比較堅硬這一問題，把型PVC 組合裝配式擴裂彈體研制出來，利用炸藥具有的柔性乳化的特點來為其閘北被精準地送至規定的炮眼的位置，使每個藥包之間的耦合度上升。而且，使用鋁合金來用作包藥器，其既能使安裝時更加便捷，借助其中空式的連接頭，可以實現深孔能夠更好地完成沖洗及吹孔的工作。

（2）按照LS-DYNA 進行模擬得出的結果得知，在此次爆破，藥卷直徑、相鄰炮眼之間的距離、封孔炮泥的適合的長度范圍等被選用，其數據分別是63mm、2.5m、1.5～6m，在每次進行爆破的時候，其總的藥量要在200kg以內。

（3）在現場進行工業性試驗得知，2325綜采工作面使用深孔預裂爆破技術經過陷柱的時候會有比較好的成效，其具有比較堅硬的特性。其中，在爆破實施完成以后，被爆害的炮孔中有92%的是能夠得到控制的，消耗截齒的數量減少了74.5%，工作面在推進時的均速上升了14.7%。