深孔預裂爆破技術(shù)在紅陽三礦工作面過斷層中的應用

李榮昌

（沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦，遼寧 遼陽 111307）

1 概況

紅陽三礦北二下采區(qū)1210-2工作面主采12煤。1210-2 工作面切眼掘進過程中，開切眼距上順槽5 m 處揭露落差7 m 正斷層，斷層以粗砂巖為主，硬度較大，采煤機截割困難。為保證工作面順利回采，計劃對斷層體堅硬巖層實行深孔預裂控制爆破。

2 斷層體深孔控制預裂爆破參數(shù)設(shè)計

深孔預裂爆破參數(shù)主要包括炸藥類型、炮眼直徑、炮眼深度、炮眼間距、單孔裝藥量、封孔距離等參數(shù)。爆破炸藥選用礦井目前使用的二級煤礦許用粉狀乳化炸藥，炮眼Ф75 mm，藥卷Ф35 mm，設(shè)計鉆孔最長深度40 m。

1）炮眼間距

① 依據(jù)松動圈半徑確定鉆孔間距

裝藥爆破后作用于孔壁初始沖擊壓力：

式中：P2為初始沖擊壓力，MPa；ρ0為炸藥密度，通常為0.95～1.25 g/cm3，取1100 kg/m3；D為炸藥爆速，D≥3000 m/s，取3650 m/s；n為壓力增大系數(shù)，n=10；dc、db分別為炸藥和炮孔的直徑，分別取35 mm、75 mm。

經(jīng)計算，孔壁初始沖擊壓力189.2 MPa。

根據(jù)彈塑性理論，炮孔周圍煤層破裂區(qū)范圍為：

式中：R為破裂區(qū)范圍，m；b為波速比，b=μ/（1-μ），其中μ為巖石泊松比，取0.36；σt為巖石抗拉強度，取3.48 MPa；α為應力波衰減系數(shù)，α=2-μ/（1-μ）；rb為炮孔半徑，取37.5×10-3m。

經(jīng)計算，破裂區(qū)范圍0.405 m。因此，布孔間距選擇0.81 m。

② 依據(jù)最小抵抗線確定孔間距

計算最小抵抗線值：

式中：d為炮孔直徑，取0.075 m；Δ 為裝藥密度，取270 kg/m3；τ為深孔裝藥系數(shù)（當炮眼深度H＜10 m 時，τ=0.6，當H=10～15 m 時，τ=0.5，當H＞15 m 時，τ=0.4），取0.4；m為深孔密度系數(shù)，對于平行孔m=0.8～1.1，取0.9；q為炸藥消耗量，依據(jù)巖石普氏系數(shù)f≈4，查表取值0.43 kg/m3。

經(jīng)計算，最小抵抗線W為1.11 m。

考慮到爆破受環(huán)境變化影響較大，在初始爆破階段選擇偏安全孔間距。綜合上述計算結(jié)果初始布孔選擇1.2 m 孔間距作為布孔依據(jù)。

2）單孔裝藥量

單孔裝藥量計算依據(jù)下式計算：

式中：Q為鉆孔裝藥量，kg；L為單位鉆孔裝藥長度，m；l為藥卷長度，0.22 m；c為單卷炸藥質(zhì)量，0.2 kg。

根據(jù)計算結(jié)果，單米鉆孔裝藥0.91 kg。

3）封孔距離

裝藥長度為20～40 m 時，封孔長度8～15 m。

3 爆破鉆孔布孔

1）布孔參數(shù)設(shè)計

爆破孔為爆破裝藥孔，對破巖起主導作用。控制孔為不裝藥空孔，控制孔對預裂爆破主要起到提供自由空間、爆破裂隙導向等作用；同時，在爆破結(jié)束后，控制孔可用來觀察確定爆破效果的好壞。具體布孔位置及鉆孔編號如圖1。

圖1 深孔預裂爆破鉆孔布置設(shè)計圖

深孔預裂爆破巖石鉆孔布孔6 排，自底板向上交替布置爆破孔和控制孔，爆破孔和控制孔間排距0.5～0.6 m，同排鉆孔列間距1.0～1.2 m。

2）施工完成鉆孔參數(shù)

累計施工巖石鉆孔61 個、煤層鉆孔2 個（包括斷層走向探測孔）。巖石鉆孔單孔最長孔深40.5 m，最短孔深4.5 m。2 個煤層鉆孔孔深分別是37.0 m 和37.5 m。各長度鉆孔數(shù)量統(tǒng)計如圖2。

圖2 各長度鉆孔數(shù)量統(tǒng)計圖

4 爆破裝藥及爆破效果考察驗證

4.1 爆破裝藥

1）試驗孔起爆

在爆破初期，選取試驗孔進行爆破作業(yè)，依據(jù)試驗孔爆破效果進一步調(diào)整布孔參數(shù)。爆破試驗孔編號為14，鉆孔施工完成后進行裝藥爆破。裝藥長度為5 m，封孔長度為5.4 m。

2）單孔起爆

考慮到安全及工作面順槽爆破后剩余煤柱寬度對震動承載性，設(shè)計采用單孔爆破方法，即每鉆一孔后立即裝藥爆破。第1 階段深孔爆破35 個，第2階段封孔段爆破32 個，共計67 個。

第1 階段深孔爆破35 個，最長40.5 m 單孔裝藥量27 kg，累計裝藥292 kg，使用導爆索590 m。封孔段距離根據(jù)裝藥量多少確定，一般為3.5～10.5 m。

第2 階段對自開切眼沿工作面向外10 m 范圍封孔段進行爆破，將深孔爆破時控制孔改做爆破孔，設(shè)計32 個鉆孔，裝藥132 kg，使用導爆索313 m，一般封孔距離為2.2～4.3 m。

4.2 爆破效果考察

利用鉆孔窺視儀考察爆破前后爆破孔周圍鉆孔的破損情況，見表1。

表1 窺視儀記錄表

切眼各孔相對位置如圖3，其中孔號12#、14#、18#為爆破孔，孔號12#、13#、61#、23#為控制孔，兼做效果考察孔。

圖3 鉆孔位置示意圖（正視圖）（m）

考察結(jié)果分析（表1）：

1）13#孔、14#孔

在12#鉆孔爆破之前探測了13#孔、14#孔。通過探測，爆破前13#孔內(nèi)有煤粉，巖石長度4.8 m，煤體長度2.2 m，巖石中裂隙較少，孔中煤壁被清洗后較為破碎；14#孔內(nèi)巖體完整，裂隙發(fā)育較少。

2）12#孔（12#孔爆破后和14#孔爆破后對比）

12#孔效果考察只記錄了在自身爆破和鄰孔14#孔爆破后效果，12#孔爆破前由于水、風沖孔過程將孔底煤泥帶出，孔壁變黑，窺視儀無法識別。由鉆孔錄像和相關(guān)記錄可知：12#孔爆破后自孔口向里5.3～7 m 巖體完全破碎，14#孔爆破后自孔口向里2.4 m、3.3 m、4.0 m 處裂隙變多，5.3～7 m 巖體破碎。

14#孔爆破后比12#孔爆破后裂隙明顯增加，出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，部分巖塊掉落，甚至出現(xiàn)了塌孔現(xiàn)象。

3）61#孔（12#孔爆破前后對比）

61#孔探測分別在12#孔爆破前后各進行一次。根據(jù)探測結(jié)果可知：61#孔在12#孔爆破前巖體裂隙發(fā)育少，煤體破碎，在12#孔爆破后，自孔口向內(nèi)1～6 m 范圍內(nèi)裂隙增加較多，爆破后裂隙更加發(fā)育，且上部裂隙明顯增加，爆破前后煤孔均處于破碎狀態(tài)，爆破后煤體破碎嚴重，窺視儀無法深入孔底。

61#孔和12#孔間距是0.45 m，12#孔爆破后，61#孔孔壁增加多條裂隙，說明12#孔爆破效果可以影響到距離鉆孔0.45 m 巖體，能夠松動爆破孔周圍巖體。

4）23#孔（14#孔爆破后）

14#孔爆破之后考察了23#孔孔壁破損情況。根據(jù)探測結(jié)果可知：封孔處孔壁裂隙不多，孔口向里6.7 m 裂隙變多，8.4 m 以后裂隙不斷增加，孔壁內(nèi)不斷有小塊巖屑脫落。

23#孔距離爆破14#孔約0.8 m，14#孔爆破后，23#孔內(nèi)裂隙增加，說明14#孔爆破可以影響到距鉆孔0.8 m 范圍內(nèi)巖體。

4.3 工作面斷層走向及發(fā)育情況驗證

通過工作面實際回采效果及利用YTJ 型巖層鉆孔窺視儀對爆破孔周圍控制孔探視觀測來驗證。根據(jù)工作面推進過程斷層實際揭露情況來看，斷層體沿工作面回采方向逐漸減小，前期打鉆探孔推測斷層走向和發(fā)育情況與實際情況一致。另外：

1）從工作面回采揭露爆破鉆孔斷面實際情況來看，爆破孔周圍350 mm 范圍內(nèi)巖體破碎非常明顯，再向外可以觀察到擴展裂隙存在。

2）回采過程中進行打眼放炮，炮眼垂直切眼走向布置，每天進尺6 刀左右，較以往其他工作面過斷層推進速度有所提高。

3）從回采過程打眼爆破效果來看，打眼裝藥1.8 m，爆破拋巖接近1.8 m，單次爆破深度加大，巖石塊度較為均勻，沒有出現(xiàn)大塊現(xiàn)象。

4）從工作面回采推進過程來看，斷層體區(qū)域（距離回風順槽7～23 m 范圍）直接頂隨采隨垮，預裂爆破斷層區(qū)巖石已經(jīng)碎裂松動。

5 結(jié)語

紅陽三礦北二下采區(qū)1210-2 工作面切眼揭露落差為7 m 正斷層，巖體硬度較大。為保證工作面順利回采，礦井采用深孔預裂控制爆破技術(shù)碎裂斷層體。經(jīng)現(xiàn)場實際應用，通過工作面實際回采效果及窺視儀觀測，深孔控制預裂爆破能夠在一定程度上破碎斷層巖體，形成裂隙，對工作面回采起到了一定促進作用，但由于工作面支架下臥，部分斷層體留存于頂板中，斷層深孔爆破主體區(qū)域效果無法驗證。從斷層體區(qū)域直接頂隨采隨垮實際來看，爆破對預裂破碎巖體起到了一定效果。