深淺孔聯(lián)合爆破技術(shù)在過復雜構(gòu)造帶中的應用

焦世雄

（晉能控股煤業(yè)集團 白洞礦業(yè)大同有限公司，山西 大同 037000）

0 引言

在采煤工作面回采過程中，往往會遇到隱伏地質(zhì)構(gòu)造，而在伴生斷層、褶曲等構(gòu)造附近，會存在瓦斯積聚、煤層頂板破碎、裂隙導水、壓力顯現(xiàn)等現(xiàn)象，對安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅。當斷層落差較大、延伸影響范圍較廣時，會導致煤層斷開，破巖量增加，不利于煤炭資源的有效回收，而具有自燃傾向性和爆炸危險性的煤層一旦回收不及時，被遺留至采空區(qū)，更是成為礦井生產(chǎn)重大安全隱患[1]。

因此，為解決好采煤工作面過斷層等復雜地質(zhì)構(gòu)造期間的技術(shù)難題，以挖金灣煤礦8108 工作面為例，探究有效技術(shù)方案與治理措施。

1 工作面概況

挖金灣煤礦8108 綜采工作面主采石炭二疊系山4 號煤層，可采煤層平均厚度3.86 m，煤層傾角1°～3°。工作面采用綜合機械化走向長壁式采煤法，切眼向外回采370 m 范圍內(nèi)將揭露多達9 條斷層，落差為2.1～9.0 m，由2018 巷向5018 巷延伸發(fā)育，且回采范圍內(nèi)將揭露1 條寬度為3 m左右的火成巖侵蝕條帶，由煤層頂板發(fā)育向底板呈床形侵入，對采面影響范圍約395 m，加上周邊伴生斷層的影響，回采區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造類型屬于極復雜。8108 回采工作面地質(zhì)構(gòu)造分布圖如圖1所示。

圖1 8108 回采工作面地質(zhì)構(gòu)造分布Fig.1 Geological structure distribution of No.8108 Face

8108 回采工作面共安裝136 架掩護式支架，其中128 架型號為ZY12000/24/48D 的普通支架，8架型號為ZYT12000/24/48D 的端頭支架和過渡架，選用采煤機型號為MG900/2360-WD，刮板輸送機型號為 SGZ1000/3 ×855，轉(zhuǎn)載機型號為SZZ1200/525，破碎機型號為PLM3500，帶式輸送機型號為DSJ120/350/3×250，設(shè)備選型滿足安全生產(chǎn)條件要求。在回采過程中由于受到復雜地質(zhì)構(gòu)造帶的影響，尤其是火成巖區(qū)域頂?shù)装鍘r性變化較大，多為高密度、質(zhì)地堅硬的細砂巖和粉砂巖，煤層頂?shù)装鍘r性描述見表1，回采期間割煤機滾筒截齒很難實現(xiàn)有效截割，且大塊矸石進入破碎機后也很難破碎，該區(qū)域影響條帶范圍約為40 m，如何對堅硬頂板實現(xiàn)松動爆破，獲得適合運輸?shù)牧巾肥?，減少設(shè)備磨損，實現(xiàn)安全高效的回采是研究的重點方向。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性Table 1 Lithology of coal roof and floor lithology

2 深淺爆破孔聯(lián)合施工技術(shù)原理

根據(jù)頂板圍巖性質(zhì)和破碎程度，結(jié)合垮落帶高度，為達到理想的爆破效果，在采煤工作面過斷層構(gòu)造帶時通常采用深孔爆破和淺孔爆破2 種方式。一般情況下，深孔施工孔徑為75～350 mm，孔深為8～15 m；淺孔施工孔徑為50 mm，孔深為5～8 m。根據(jù)經(jīng)驗選定炮眼為深淺孔相結(jié)合的爆破方式，炮眼深度為1.6、5、7、8 m 等。

利用深淺孔聯(lián)合爆破技術(shù)是利用不同深度空間裝藥存在一定的層位空隙，當起爆后可以避免振動波出現(xiàn)波動耦合，最大限度地降低爆破壓力疊加產(chǎn)生的壓力峰值，提供有效的聚能臨空面，促使巖石在切應力作用下產(chǎn)生裂隙，而臨空面的聚能壓力在釋放的瞬間又能夠進一步將巖石裂隙進行擴張，產(chǎn)生更多裂隙，破壞巖石的整體結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部不斷分裂，達到分解破碎巖石的效果，實現(xiàn)預期目的[2]。

3 深淺爆破孔聯(lián)合施工參數(shù)確定

3.1 最小抵抗線

根據(jù)炸藥在爆破過程中對巖體產(chǎn)生的爆炸破碎效果和粒徑大小程度，可將爆破結(jié)果分為3 個區(qū)域，即壓力碎裂區(qū)、裂隙擴散區(qū)及彈性振動區(qū)等。由于在爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫環(huán)境，促使空氣形成一定范圍的壓差，從而產(chǎn)生極強的氣壓，伴隨沖擊波的作用一起對巖體造成碎裂影響，出現(xiàn)“松動爆破”的現(xiàn)象，而在應力最集中的爆破中區(qū)也會形成一個有效的松動圈[3]，通過式（1）可計算得出松動圈的半徑結(jié)果。

式中：Rp為松動半徑，m；α 為應力衰減波值，α=（2-v）/（1-v）；St為抗拉強度，MPa；V 為泊松比；P 為應力波沿徑向的初始峰值，其大小計算可由式（2）推導得出。

式中：Di為爆炸速度，m/s；ρ0為裝藥密度，kg/m3；rc為裝藥半徑，cm；rb為炮眼半徑，cm；V 為泊松比；n 為壓力擴增倍數(shù)。

根據(jù)以上2 個公式，將工程設(shè)計數(shù)據(jù)Di=3 600 m/s、ρ0=0.278 kg/m3、rc=1.75 cm、rb=2.1 cm、St=1.29 MPa、n=10、V=0.235，代入公式得出ω=545.79 mm，結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況，最小抵抗線取值為ω=1.2 m。

若要取得最佳的松動爆破效果，首先要控制好炮孔的裝藥量，實現(xiàn)既對巖石進行碎裂破壞，又不至于碎石拋出損壞設(shè)備，因此，單孔裝藥當量按照式（3）計算：

式中：Q 為單孔藥量，kg；e 為爆破系數(shù)，1.0～1.3；q 為炸藥標準消耗，0.2～0.35 kg/m3；g 為炮孔堵塞系數(shù)；l 為炮孔深度，m；ω 為最小抵抗線，m；nc為孔深對藥耗影響系數(shù)。將上述工程數(shù)據(jù)e=1.0、q=1.35、g=1.2、l=1.6 m、ω=1.2 m、nc=1.3代入計算可得單孔藥量應控制在0.655 kg，取整數(shù)得藥量0.6 kg，結(jié)合《煤礦安全規(guī)程》中相關(guān)要求，對炮孔各項參數(shù)設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 8108 工作面爆破孔設(shè)計參數(shù)表Table 2 Blasting hole design parameter of No.8108 Face

3.2 深淺爆破孔布置方式設(shè)計

結(jié)合工作面切眼頂?shù)装鍘r性和巖層傾角，爆破孔設(shè)計為五花眼布置，鉆孔孔徑使用42 mm 直徑鉆頭施工，裝藥卷為35 mm，淺孔孔深為1.6 m，間排距為1.5 m×0.7 m，頂板鉆孔仰角為+20°，底板鉆孔俯角為-10°，中間煤孔垂直煤墻施工，在煤巖結(jié)合面處增大孔間距為1.75 m，確保最小抵抗線不小于1.2 m，封孔不小于0.5 m，正向裝藥，不耦合可控系數(shù)為1.2，分組起爆[4]。

在8108 工作面回風巷（2018 巷）施工深孔爆破鉆孔，炮孔間距1.2 m，孔徑55 mm，裝藥直徑35 mm，不耦合可控系數(shù)為1.57，頂板鉆孔仰角為+13°，每組設(shè)計鉆孔數(shù)量15 個，布置方式如圖2所示。

圖2 深淺爆破孔布置方式Fig.2 Arrangement of deep and shallow blasting hole

3.3 執(zhí)行技術(shù)標準與要求

為保護好工作面切眼內(nèi)的支架等設(shè)備，在切眼內(nèi)施工的淺孔炮孔裝藥量較少，且施工數(shù)量也少，可實現(xiàn)直接起爆，但爆破順序必須明確要求，即先爆破煤巖結(jié)合面區(qū)域炮孔，再起爆火成巖區(qū)域炮孔，由于火成巖侵蝕區(qū)域和斷層共同影響區(qū)域的頂板巖性多為質(zhì)地堅硬的粉砂巖、細砂巖，該區(qū)域炮孔裝藥量大，為了避免炮后碎矸損壞設(shè)備，可進行分次起爆，每次爆破5～6 個炮孔，放炮后注意檢查炮眼內(nèi)的殘藥情況，及時處理“瞎炮”，避免存在安全隱患。

放炮前，必須由放炮員親自檢查裝藥連線情況，避免雷管腳線接頭與煤巖壁接觸，造成接地短路，無法正常起爆，若裝藥點風速高，無法有效確保腳線接頭不接地，則可使用防水膠布進行纏繞包扎，避免接觸短路，同時檢查封孔質(zhì)量是否合格，避免出現(xiàn)“啞炮”、“嗆炮”，影響爆破效果。

當爆破地點頂板巖石破碎，炮后無法及時拉超前架支護時，可適當減小回風巷深孔和切眼內(nèi)淺孔的裝藥量及封孔長度，避免爆破壓力過大對頂板造成破壞，釋放頂板應力后導致冒頂事故發(fā)生，因此，在減少裝藥量的同時，還要減少分次起爆的炮孔個數(shù)，確保封孔質(zhì)量，堅持破碎帶附近的炮孔殘藥檢查效果，杜絕出現(xiàn)炮眼內(nèi)炸藥殘留。

4 技術(shù)應用效果與價值分析

8108 采煤工作面在回采至火成巖侵蝕帶與復雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域時，工作面支架受到放炮影響，多數(shù)立柱伸縮缸磨損出現(xiàn)漏液、卸液現(xiàn)象，支架底座和刮板輸送機機槽磨損嚴重，割煤機截齒更換量也增大，正常情況每天更換不超過3 個，過構(gòu)造期間更換量最大達到14 個，若增加炮眼施工密度則會影響每班放炮效率，增大勞動強度，技術(shù)應用前每天只能回采兩刀，推進度1.6 m，單日產(chǎn)量3 300 t左右。

經(jīng)過深淺爆破孔聯(lián)合設(shè)計應用后，深淺炮孔對不同深度和不同層位巖石的爆破效果疊加影響，更好地產(chǎn)生巖體內(nèi)裂隙擴張程度，提高了放炮效率，經(jīng)過松動爆破，每天可回采五刀，推進度4.0 m，單日產(chǎn)量提高到7 600 t 左右，加快了工作面過復雜構(gòu)造帶的推進速度，創(chuàng)造了安全生產(chǎn)環(huán)境。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)工作面實際探查揭露和三維地震勘探確定的構(gòu)造位置、產(chǎn)狀，以及火成巖侵蝕條帶延伸方向等復雜地質(zhì)構(gòu)造體對工作面回采造成的安全影響進行評估，明確構(gòu)造帶附近的煤巖層性質(zhì)，從而制定了深淺孔聯(lián)合爆破方式進行頂?shù)装迤茙r的回采方案。

（2）通過采取深淺孔聯(lián)合爆破的方式進行采面推進，結(jié)合頂?shù)装鍘r性變化，頂板巖石完整性和破碎程度進行綜合判斷，及時調(diào)整單孔裝藥量、起爆順序和起爆數(shù)量，有效避免因爆炸的瞬時能量造成頂板二次破壞，不利于切眼超前支護，降低了冒頂事故發(fā)生的可能性。

（3）通過調(diào)節(jié)每天綜采隊的日常作業(yè)內(nèi)容，將設(shè)備檢修、油管更換等活動，與打設(shè)炮眼、裝藥放炮等實現(xiàn)平行作業(yè)，有效減少了因爆破作業(yè)造成的生產(chǎn)時間的影響，將過構(gòu)造期間原有的每天兩刀任務量，提高到每天5 刀任務量，提高產(chǎn)能近一倍，實現(xiàn)高效過構(gòu)造區(qū)域的快速推進。

（4）經(jīng)過上述爆破方案的基礎(chǔ)參數(shù)確定，在實踐過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗，后期還可結(jié)合工作面回采期間觀測的周期來壓數(shù)據(jù)、來壓步距、壓力強度、過構(gòu)造期間兩巷受到超前應力的影響范圍等資料，制定更加詳細科學的過構(gòu)造方案，確保采面的安全施工。