杜兒坪煤礦工作面過堅硬陷落柱深孔預裂爆破技術

梁 鑫

（山西焦煤西山煤電杜兒坪煤礦，山西 太原 030000）

巖溶陷落柱對采煤安全影響范圍較大，當工作面推進遭遇這類地質構造時，由于構造內的介質巖性及強度變化較大，不僅會大幅降低工作面的推進效率，還會加劇采煤機截齒的損耗，嚴重制約了礦井的安全高效生產。目前，大多數工作面采用淺孔爆破的方式通過陷落柱構造區，但該方式的爆破作用范圍較小，循環作業次數較多，不僅效率較低，而且還存在較大的安全隱患。深孔預裂爆破技術[1-5]可對陷落柱內的堅硬巖體進行一次性預裂爆破，降低了循環作業次數，對于提高工作面通過堅硬陷落柱構造速度，保障礦井安全高效生產具有重要意義。

1 工程概況

杜兒坪煤礦73907 工作面位于南九盤區，北接南九皮帶巷，南距杜兒坪斷層370 m，東距73907回采工作面284 m，西部為實體煤，采用走向長壁后退式綜合機械化全部垮落采煤法。73907 工作面主采3#煤層，煤厚3.06～3.80 m，平均3.40 m，煤層結構復雜，含0～2 層總厚0～0.9 m 的夾矸，平均0.4 m，夾矸巖性泥巖。煤層傾角1°～10°，平均5°。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板結構

73907 工作面在回采過程中揭露1372#陷落柱，其在工作面內的短袖長16 m，長袖長107 m，切入工作面內的面積為2349 m2。陷落柱內以中砂巖及細砂巖發育為主，其強度及硬度較高，對工作面回采影響較大，需采用深孔爆破技術進行預裂弱化。

2 深孔預裂爆破模擬分析

采用LS-DYNA 顯示動力分析程序，根據73907工作面陷落柱巖性及爆破炸藥參數建立半無限巖體模型，炮孔直徑設置為90 mm，藥卷直徑為63 mm，模型中不同介質間采用耦合的算法進行計算。陷落柱內中砂巖及細砂巖的物理力學參數見表2。

表2 陷落柱內巖體物理力學參數

爆破采用的炸藥為礦用三級水膠炸藥，模擬時采用JWL 狀態方程，其中，炸藥密度設為1.15 g/cm3，炸藥爆破速度為4200 m/s，初始比內能為1.44 GPa。

根據上述參數條件，模擬分析不同裝藥半徑下爆破后巖體內的裂紋擴展演變過程及止裂長度，圖1 為50 mm 藥卷半徑下的爆破裂紋演化過程。由圖1 可知，裂紋由炮孔呈圓形向四周擴展發育，止裂后的裂隙擴展半徑達到了1900 mm，且裂紋分布密度較大，有利于破碎堅硬巖體。

圖1 50 mm 藥卷半徑下的爆破裂紋演化過程

表3 為不同藥卷半徑下爆破裂隙擴展半徑統計。

裂隙擴展半徑2.5 79.7 4.0 155.0 3.0 94.0 4.5 171.0 3.5 132.0 5.0 190.0裝藥半徑裂隙擴展半徑裝藥半徑

根據表3 中的數據，以裝藥半徑為橫坐標，裂隙擴展半徑為縱坐標，通過線性擬合的方式分析二者的關系，如圖2。由圖2 可知，裂隙擴展區半徑基本隨著裝藥半徑的增加而線性增大，且二者相關性高，系數達到了0.979 7，其線性擬合后的量化關系可由式（1）表達：

圖2 裝藥半徑與裂隙擴展半徑線性關系

式中：Rc為裂隙擴展區半徑，cm；rc為裝藥半徑，cm。現場施工時可根據式（1）進行爆破炮孔參數的設計。

3 爆破參數設計

3.1 設計原則

根據《煤礦安全規程》規定及已有研究成果，深孔預裂爆破需滿足如下幾點：

1）爆破前需對工作面煤層的瓦斯含量及煤層突出傾向進行認定分析，以確保施工安全。

2）爆破的破碎范圍不應超過工作面的采高，避免破壞頂底板的完整性，影響工作面安全推進。

3）為防止爆破產生較大的沖擊波影響煤層及巷道的穩定性，需嚴格控制單孔的裝藥量。

3.2 參數設計

根據爆破參數設計原則，結合現場實際條件，確定炮孔直徑為90 mm，藥卷半徑為31.5 mm。由數值模擬得出的藥卷直徑與裂隙擴展半徑間的量化關系式（1）可得出，31.5 mm 半徑藥卷的裂隙直徑約為2194 mm，因此，炮孔間距取2200 mm。炮孔采用梅花式布置，深度為6～55 m，裝藥長度為2～34 m，單孔裝藥量應小于150 kg。各炮孔具體參數見表4。

表4 深孔爆破具體參數表

3.3 裝藥器設計

由于部分炮孔的深度較長，傳統裝藥方式難以將藥包殼體送入孔內指定位置，因此采用一種新型裝藥器，如圖3所示。該型裝藥器由鋁合金加工制成，單節長度為1.5 m，壁厚2 mm，直徑為42 mm，其屈服強度不低于198 MPa，抗拉強度不低于260 MPa，不僅強度高，且重量較輕，能夠克服孔壁內的摩擦力，并將裝藥殼體順利送入指定的深度，進而保證爆破效果。

圖3 裝藥器結構

4 現場應用效果分析

為分析深孔預裂爆破對陷落柱堅硬巖體的弱化效果，對比分析了爆破前后73907 工作面過1372#陷落柱時的推進速度及采煤機截齒消耗量。

73907 工作面未采取深孔預裂爆破技術前，采煤機在1372#陷落柱累計推進31.5 m，損耗截齒337 把，平均每推進1 m 截齒消耗10.70 把，工作面平均每天推進3.55 m。對工作面1372#陷落柱區域實施了深孔預裂爆破技術后，累計推進75.5 m，截齒共損耗237 把，平均每推進1 m 截齒消耗3.14把，工作面平均每天推進4.43 m。工作面每米截齒消耗量降低了70.7%，而推進速度提升了24.8%，表明深孔預裂爆破技術有效弱化了陷落柱內的堅硬巖體強度，保證了工作面的安全高效生產。

5 結論

1）通過LS-DYNA 軟件模擬了爆破后的裂紋擴展過程，分析了裝藥半徑與裂隙擴展半徑之間的關系，得出裂隙擴展區半徑基本隨著裝藥半徑的增加而線性增大，并給出了二者的量化關系式，用于指導爆破參數的設計。

2）根據爆破參數設計原則結合現場實際條件及數值模擬結果，確定炮孔直徑為90 mm，藥卷半徑為31.5 mm，炮孔間距為2200 mm，并設計了各炮孔的具體參數。

3）現場應用結果表明，采用深孔預裂爆破技術后，工作面通過陷落柱時，截齒的平均消耗量降低了70.7%，工作面的推進速度提升了24.8%，保證了工作面的安全高效生產。