深孔爆破快速處理綜采工作面構造技術應用研究

趙 壘

(潞安環保能源開發股份有限公司 生產辦，山西 長治 046204)

在地質運動過程中，煤田內形成許多大大小小的斷層、陷落柱、侵入巖等構造，當工作面遇到這些地質構造時，由于介質的強度和硬度等發生了不可控的變化，在機械化開采時，機械設備損耗嚴重，推進速度也大打折扣，制約了生產的連續性[1]。為消除過構造時淺孔爆破輔助作業時間長、生產效率低、循環次數多且負面風險大等不利因素的影響，新元煤業3207工作面采用了深孔爆破快速處理綜采工作面大型構造技術。

1 工作面概況

新元煤業3207工作面走向長1 423 m，傾斜長267.4 m，面積380 510.2 m2，煤層平均厚2.73 m.3207工作面掘進期間揭露3個陷落柱，從南往北依次為CN1(50.06 m×21.38 m)、X140(40.28 m×100 m)、X141(29.14 m×15.2 m),揭露兩條斷層，斷距分別為3.7 m、2 m.其中：X140陷落柱巖性較硬，31 m為白砂巖，63 m上部為1.5 m白砂巖、1.7 m泥巖。

2 深孔爆破設計

2.1 鉆孔的深度與間距

1) 鉆孔深度。根據勘測資料中陷落柱在巷道處的揭露情況，埋置深度為0～40.26 m.按照爆破設計，布孔處深度大于3.5 m時為深孔爆破，深度小于3.5 m的為淺孔爆破。此陷落柱的爆破采用一次全部深孔爆破擴裂破碎，炮眼深度為3.5～36 m.

2) 鉆孔位置及孔間距。根據現場經驗及模擬實驗，采煤高度3.0 m，D63 mm的藥卷的爆破作用半徑可達到1 000 mm以上。因此，選取采高一半為布置鉆孔的中位置，波動200 mm處布孔，孔間距為2.5 m左右。

2.2 鉆孔裝藥量

本次裝藥采用PVC材質擴裂爆破殼體，外徑為67 mm、內徑64 mm，有效裝藥長度為1 000 mm，各殼體之間可以通過螺紋連接。

按照擴裂爆破的裝藥特點，結合單點起爆方式，為保證爆破安全，炮孔的裝藥量要求如下：①單點正向起爆，整體式一次性裝藥；②單點起爆時不能出現拒爆現象和管道效應；③整體藥柱裝入，如遇“卡塞”現象，可順利拉出。

按照填塞設計要求，總裝藥量不大于200 kg，單孔裝藥最大長度控制在30 m以內。根據陷落柱揭露情況和勘探資料，深孔爆破設計預計的炮孔深度、裝藥量、填塞長度等參數如表1所示。

表1 設計爆破參數

2.3 起爆系統設計

本次使用水膠炸藥。深孔爆破時，先爆的炸藥產生的沖擊波或爆炸應力波容易對后起爆的炸藥產生動壓減敏作用，甚至爆轟熄滅。為了改變這種現狀，藥卷殼體設計時進行了充分考慮，試驗時采用正向起爆即可。起爆藥包并聯接入兩個同段煤礦許用毫秒電雷管。藥包外的起爆線用1 mm2爆破鋼絲線接出，使用防水膠布密封接頭，起爆線進行短路連接。炮孔填塞好后，將各起爆線串聯接入起爆母線網路，起爆母線中間無接頭，長度為300 m，達到遠距離起爆的要求。

2.4 填塞工藝

炮孔的填塞材料俗稱炮泥。在炮孔中不同位置的炮泥，爆破后的運動規律是不同的。爆炸時炮眼內產生的壓力不僅作用在孔壁上，同時也作用在炮泥上，但炮泥不是剛體，而是可壓縮的材料，在爆轟壓力作用下，靠近裝藥部分的炮泥開始時運動速度增加很快，基本上按線性增長，這時炮泥產生很大的塑性變形，使其密度不斷增大，當密度增大到一定程度后，炮泥和孔壁之間的摩擦力和橫向推力也增大，如果此時的摩擦力和抗剪強度大于爆生氣體的推力，炮泥的運動速度相對要減小，甚至停止運動。隨著爆轟壓力的繼續升高，對炮泥的推力不斷增大，炮泥中的剪應力也不斷增大，直至克服炮泥與孔壁之間的摩擦力和炮泥的剪應力，使炮泥迅速向孔外滑動而拋出炮孔。靠近孔口的炮泥剛開始時，由于慣性作用向外運動的速度很小，當爆炸應力波傳播到孔口后，從自由面產生反射拉伸作用，使孔口炮泥向外拋出；同時炮孔內爆生氣體對內層炮泥的作用不斷增強，其運動速度也會越來越大，推動孔口炮泥產生向外運動的速度也增大，最終兩者速度相等，一起拋出炮孔[2]。為了達到本次試驗的目的，填塞時需要注意以下幾點：

1) 填塞長度的確定。根據相關理論，避免沖孔的安全封孔長度計算公式為：L≥nR/(2fλ)[3-4]，其中現場試驗爆破孔半徑R為47 mm，側壓系數f為0.3，摩擦因數λ為0.02，綜合影響系數出于安全考慮，取最大值1.5，計算封孔長度L≥5.9 m.因此，這次試驗炮孔的填塞長度取6 m即可。

2) 炮泥材質及規格。本次試驗采用傳統的黃土(黃土與砂的比例為3∶1)做炮泥，只是需要事先預制成D60 mm、長200 mm的圓柱形炮泥。

3 試驗效果分析

3.1 試驗數據統計

根據現場實際鉆孔情況對爆破方案進行調整：1～4號孔的區域陷落柱寬度小于5 m，因此決定從5號孔開始裝藥爆破，7號孔55 m，由于此孔已深超過了40 m，所以裝藥時，先在炮孔中裝入13 m空管，然后再進行裝藥。現場試驗時炮孔情況及裝藥的相關參數調整以后的情況如表2所示。

表2 現場爆破參數記錄

3.2 爆破效果分析

當工作面通過爆破區域時，發現爆破施工區域實際構造為陷落柱與斷層，104號至機尾全巖揭露陷落柱，柱體內巖性雜亂，填充物以砂質泥巖、砂巖為膠結程度中等，無水。

1～4號孔未放炮，陷落柱巖石硬度較大，每天8點班更換刀齒12～15把。24號0點班通過5號孔，5號孔孔深35 m，據回采觀測情況看，炮孔全長為巖石。

深孔爆破對封孔部位的作用比較有限，其長度大概為4.5 m，巖石的完整性較好，采煤機切割時比較緩慢；在采煤機通過爆破裝藥段時，沿黃線炮孔方向的破裂帶有明顯的爆破破裂區，巖塊破碎均勻，爆破效果非常明顯，采煤機切割時非常順暢。

3.3 推進速度及截齒消耗統計分析

3207工作面在回采過程中，回采通過X140陷落柱之前，先通過了一個較小的陷落柱CX1，由于此陷落柱較小就沒有進行爆破處理。2021年11月27日至2021年12月6日，采煤機過此陷落柱時，推進速度和截齒消耗情況如表3所示。2021年12月20日至2022年1月11日，回采通過X140陷落柱及斷層時，其推進速度和截齒消耗情況如表4所示。

表3 通過CX1陷落柱推進度與截齒消耗情況統計

表4 通過X140陷落柱推進度與截齒消耗情況統計

通過CX1陷落柱累計推進31.8 m，平均推進速度3.42 m/d.截齒消耗396把，用時10 d，截齒平均消耗12.86把/m.

通過X140陷落柱及斷層累計推進79.6 m，截齒消耗277把，用時22 d.其中擴裂爆破44.3 m，平均推進速度4.43 m/d，截齒消耗117把，用時10 d，截齒平均消耗2.64把/m；未擴裂35.3 m，平均推進速度3.21 m/d，消耗截齒160把，用時11 d，截齒平均消耗4.53把/m。

通過數據分析比較可知：

1) X140陷落柱沒有擴裂爆破區域，截齒消耗比CX1陷落柱少8.33把/m，巖石影響范圍較小，但工作面推進速度相差不大，說明X140陷落柱的巖性比CX1陷落柱硬度大，切割難度要大。

2) 從圖2中看到，在X140陷落柱中，爆破擴裂區域通過采煤機切割后，其巖壁上未發現采煤機切割時留下的痕跡，說明爆破擴裂后，巖體得到了充分破碎，爆破擴裂已達到了預期效果。

3) 對采煤機通過X140陷落柱爆破擴裂區域與CX1陷落柱進行比較，截齒消耗降低了79.5%，工作面推進速度提高了29.6%.

4) 在X140陷落柱內，對爆破擴裂區域與未進行爆破擴裂區域進行比較，其截齒消耗也減少了1.89把/m，推進速度也提高了1.22 m/d.

4 結 語

1) 通過對深孔爆破的關鍵技術和工藝的研究，解決了深孔爆破的裝藥、起爆技術難題，克服了深孔爆破安全性不穩定、工藝復雜、操作不可靠等缺點，形成了安全、高效的深孔爆破新技術，為快速、經濟、安全處理綜采工作面大型構造提供了技術保障。

2) 深孔擴裂爆破同淺孔爆破相比大大減少了輔助作業時間，提高了采煤工作面的推進速度，使工作面在過X140陷落柱爆破擴裂區域時，推進速度超過4.43 m/d.

3) 通過對綜采工作面大型構造進行深孔擴裂爆破，破壞力其完整性，強度大幅降低，采煤機切割推進時，截齒消耗降低了79.5%，采煤機工作時震動減小，降低了維修費用。

4) 通過對巖石動力學的理論研究，建立了柱狀藥包在半無限體內爆炸作用的數字計算模型，為綜采工作面大型構造進行深孔擴裂爆破設計提供了理論指導。