淺孔、中深孔聯合松動爆破過綜采面復雜地質構造帶技術

張曉東，劉智敏，李建國，王璽淦，甘 濤

（晉能控股煤業集團 挖金灣煤業有限責任公司，山西 大同 037042）

0 引 言

煤礦井下回采作業中，地質構造是影響綜采工作面安全高效推進的重要因素，也是煤礦安全生產過程中會經常遇到的實際問題。隨著淺部煤炭資源枯竭，礦井延伸后各煤炭集團對煤炭資源高效回采也提出了新的要求，面對復雜地質構造帶，通過大力推進技術創新和工藝創新，在保證安全的前提下應采盡采、綠色開采，用科技創新延長礦井的服務年限，推動煤炭資源最大幅度的高效回采、綠色回采。挖金灣礦屬石炭二疊系延伸礦井，8108 工作面又是礦井南部區域首采工作面，解決生產過程中遇到的復雜地質構造帶具有十分重要的研究和指導意義。

1 工作面概況

挖金灣礦石炭二疊系山4 號層8108 綜采工作面北部與落差9.0 m 斷層相鄰，東部與南翼回風巷、南翼主運巷相接，西南部尚未開拓，煤層平均厚度為3.86 m，傾角在1°～3°之間。采用綜合機械化開采方法，MG900/2360-WD 型采煤機割煤，工作面頂板由128 個ZY12000/24/48D 型掩護式普通架、1 個ZYG12000/24/48D 型掩護式過渡支架和7 個ZYT12000/24/48D 型掩護式端頭支架（工作面頭部4 架，尾部3 架）支護，SGZ1000/3×855 型刮板輸送機、SZZ1200/525 型 轉 載 機、PLM3500 型 破 碎 機、DSJ120/350/3×250 型可伸縮帶式輸送機構成工作面運煤系統，全部垮落法管理頂板。該工作面從切眼處開始沿走向方向386 m 范圍內揭露9 條正斷層和1 條火成巖，是典型的復雜地質構造群，斷層群落差在2.3～4.5 m；火成巖寬3 m，從煤層頂板呈床形侵入，沿煤層走向方向對工作面影響384 m；斷層變化極不穩定，衍生斷層較多，頂板管理困難。在火成巖與斷層重疊區域5 個支架范圍巖石硬度極大，巖性為白色砂巖和細砂巖，采煤機難以截割，堅硬巖石沿回風順槽影響近30 m, 以往只在切眼處施工淺孔松動爆破技術已不滿足實際生產需求。地質構造群情況見圖1，煤層頂底板情況見表1。

圖1 8108 工作面地質構造群情況

表1 8108 工作面頂底板巖性

2 淺孔、中深孔聯合松動爆破技術

井工煤礦綜采工作面過斷層、陷落柱等地質構造常用的松動爆破分為淺孔和深孔2 種[1]。淺孔炮孔直徑一般不超過50 mm，孔深不超過5 m，深孔炮孔深度[2]一般為8～15 m，孔徑為75～350 mm。本工作面過地質構造群所采用的孔深為1.6 、5 、6、7、8 m，屬淺孔和中深孔松動爆破范疇。

淺孔、中深孔聯合松動爆破技術在火成巖與斷層重疊時切眼處尾部5 個支架范圍施工淺孔松動爆破，同時沿堅硬巖石影響回風順槽30 m 范圍施工中深孔松動爆破。聯合松動爆破技術是利用不耦合裝藥空隙的存在來減弱沖擊破作用在孔壁上的爆壓峰值，同時為炮孔間提供聚能的臨空面。在切向拉應力作用下使炮孔四周產生徑向裂紋，臨空面聚能作用使孔間連線產生應力集中，在應力波反射應力作用下孔間裂紋繼續擴展，使巖石進一步破碎。

3 淺孔、中深孔聯合松動爆破技術參數的設計

3.1 最小抵抗線的確定

炸藥在煤巖中爆炸，根據爆炸對巖體的破碎程度，大致可分為3 個區域：壓碎區、裂隙區和彈性振動區[3-4]。在爆破中區，爆破產生的沖擊波和爆生氣體將煤體碎裂成裂隙體。依據工作面采煤需要，在切眼和5105 回風順槽分別設計爆破的爆破參數，通過爆生應力波作用原理確定爆破中區松動圈半徑[5]。

式中:RP為松動圈半徑;α為應力波衰減值，α=（2-υ）/（1-υ）；St為抗拉強度，MPa;υ為泊松比;P為應力波初始徑向應力峰值，其大小可用以下公式計算：

式中:Di為炸藥爆速，m /s；ρ0為裝藥密度，kg/m3；rc為裝藥半徑cm；rb為炮眼半徑，cm；n為壓力增大倍數。

將工程數據Di= 3 600 m/s，ρ0= 0.278 kg/m3，rc= 17.5 mm，rb= 21 mm，St= 1.29 MPa，n = 10，υ= 0.235。代入得ω= 545.79 mm 根據現場取最小抵抗線ω=1.2 m。

松動爆破的要點是控制好單孔裝藥量，才能達到既能松動巖石，又不致巖石崩落拋擲的效果。工作面淺孔單孔裝藥量的計算：

式中:Q為單孔實際裝藥量，kg;e為爆力系數，取1.0～1.3；q為標準條件下的炸藥單耗，一般取0.2～0.35 kg /m3；g 為炮眼堵塞系數；l為炮眼深度，m;ω為最小抵抗線，m；nc為炮眼深度對炸藥消耗量的影響系數。將e= 1.0、q= 0.35、g= 1.2、l= 1.6 m、ω= 1.2 m、nc=1.3 代入得單孔實際裝藥量0.655 2 kg，實踐中根據煤巖性質和實際爆破效果調整實際單孔裝藥量0.6 kg。同理計算并依據《煤礦安全規程》規定要求，可得順槽中深孔單孔裝藥量見表2。

表2 5108 順槽中深孔單孔爆破技術參數

3.2 聯合松動爆破炮孔布置方式

工作面切眼淺孔松動爆破技術參數：工作面切眼淺孔松動爆破采用五花眼布置3 排鉆孔，孔徑為42 mm，藥卷直徑35 mm, 孔深為1.6 m，排距為0.7 m，孔間距為1.5 m，頂孔上傾20°，底孔下傾10°，中間孔垂直煤壁鉆進，在巖石交面處將孔間距增大為1.75 m，最小抵抗線為1.2 m，單孔裝藥量為0.6 kg，封孔長度為0.5 m，正向不耦合裝藥，不耦合系數為1.2[6]，分組起爆。

回風順槽中深孔松動爆破技術參數：回風順槽以間距1.2 m 布置一排孔徑為55 mm 的中深孔，藥卷直徑35 mm,不耦合系數為1.57，中深孔孔中心距巷道底板1.3 m，上傾13°，共布置15 鉆孔，首孔距切眼煤壁距離2.6 m，不耦合裝藥，分組起爆。聯合松動爆破炮孔布置如圖2 所示。

3.3 聯合松動爆破技術要求

工作面切眼煤巖交接面爆破孔裝入炸藥量少，炮孔可以直接起爆，起爆后火成巖其他區域炮孔再起爆，細砂巖處爆破孔裝藥量多，必須分2～3 組進行，每組起爆炮孔數控制在5～6 個，且先起爆白砂巖區域炮孔。5108 順槽中深孔起爆應超前切眼煤壁5 m 先與切眼淺孔起爆，每組起爆2 個中深孔，一組起爆后應對爆破區域做質量檢查，及時處理“盲炮”等問題[7]。

裝藥前爆破連線必須按照規程要求嚴格執行，接頭要清潔牢固，連線后需由爆破員再檢查，確保連線質量；裝藥時爆破員應拉直雷管腳線并緊靠炮眼的孔壁[8]，所有接頭必須采用防水膠帶包扎，接頭處不得與其他物體接觸，應懸空；中深孔起爆前應在5108 巷薄弱點增設單體液壓支柱，并做好施工機械設備防護措施；切眼淺孔爆破時通過液壓支架前吊掛擋矸皮帶等方式嚴格做好工作面采煤設備防護措施。

圖2 聯合松動爆破炮孔布置圖

在火成巖與煤交面處若出現頂板破碎等情況時，在切眼處淺孔松動爆破頂孔減小裝藥量減少同時起爆孔數，同時減小回風順槽施工中深孔的上傾角，來減弱對頂板的破壞，淺孔和中深孔炮泥封堵質量，加強5108 回風順槽支護質量；嚴格執行“一炮三檢”和“三人連鎖”放炮制度。

4 現場工程應用效果

8108 工作面過火成巖與斷層重疊區時，采煤機無法正常截割，采用切眼施工打淺孔時，效果不夠理想，采煤機截割時機身振動幅度很大，日均更換截齒達90 %以上，滾筒齒座也有損壞，增加炮孔施工密度，影響打鉆效率，不僅增加了工人的勞動強度也嚴重影響了工作面的推進速率，每日只能推進2 刀，日產原煤3 000 t。

按上述設計方案，在切眼施工淺孔松動爆破的同時在5108 回風順槽超前切眼煤壁20 m 打中深孔進行松動爆破。回風順槽相對采煤工作面施工空間較大，便于施工，且與切眼施工淺孔和采煤工序互不干預，配合切眼淺孔松動爆破后巖石的完整性和強度明顯降低，并存有大量不規則的微小裂隙，有利于工作面的頂板管理。應用切眼淺孔松動爆破、回風順槽中深孔松動爆破聯合技術后，工作面每日可推進5 刀，日進4.0 m，日產7 500 t,有效地加快了工作面的推進速度和生產效率為安全高效地過堅硬極復雜地質構造創造了良好的條件。

5 結 論

1）依據石炭二疊系山4 號層8108 綜采工作面的地質構造情況和實際生產面臨的問題，提出了過極復雜堅硬地質構造帶采用的淺孔、中深孔聯合松動爆破技術及合理可行的爆破參數。

2）淺孔、中深孔爆破技術應用于石炭二疊系山4 號層8108 綜采工作面爆破后有效地弱化了切眼處巖石的強度，但仍具有一定的殘余強度，有利于綜采面切眼頂板的管理。

3）利用切眼施工淺孔松動爆破、5108 回風順槽施工中深孔松動爆破聯合技術便于打眼放炮，不影響工作面應有生產、檢修工序，具有平行作業的優勢，有效地提高了綜采面的推進速度和生產效率。

4）應用淺孔、中深孔聯合爆破技術后，日產原煤由原來的2 刀提升到5 刀，綜合施工人工成本、爆破器材使用情況、機電檢修量、截齒損耗情況及對綜采面機電設備和人員安全影響，具有顯著的經濟效益和安全效益；且為石炭二疊系礦井類似工程提供了切實可行的實際案例。

5）淺孔、中深孔聯合爆破技術需加強礦井、綜采面礦壓規律顯現管理，同時結合地質構造實際情況及工作面、順槽頂板情況，應于適當的調整松動孔布置方式和技術參數，在周期來壓和因地質構造影響頂板破碎時需加強頂板管理、順槽補強支護、調整松動孔技術參數，以便達到生產預期效果。