孔預(yù)裂爆破在綜采工作面過陷落柱中應(yīng)用研究

張 嘎

(汾西礦業(yè)賀西煤礦，山西 柳林 033200)

陷落柱是我國華北地區(qū)煤炭開采時(shí)常見的地質(zhì)構(gòu)造，由于陷落柱影響范圍大、分布范圍廣從而給煤炭正常的采掘作業(yè)帶來顯著影響[1-3]。為了提高煤炭開采效率，現(xiàn)階段多數(shù)礦井采用平推硬過方式過陷落柱，受到陷落柱內(nèi)巖體堅(jiān)硬影響，采煤機(jī)不僅破巖效率低而且存在刀齒異常磨損問題[4]。采用深孔預(yù)裂爆破方式可降低陷落柱內(nèi)巖體硬度，從而為采面快速過陷落柱創(chuàng)造良好條件[5-6]。為此，本文以山西某礦3207綜采工作面過陷落柱為工程背景，針對(duì)采面實(shí)際條件對(duì)深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行考察。研究成果可為其他礦井綜采工作面過陷落柱提供借鑒。

1 工程概況

山西某礦3207綜采工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)距離1 423 m、走向長度267.4 m，開采的2#煤層厚度均值為2.75 m，埋深350 m。2#煤層偽頂、直接頂、基本頂分別為厚度0.25 m高嶺石泥巖、3.5 m砂質(zhì)泥巖以及2.75 m中粒砂巖，直接底為2.35 m粉砂巖。

前期地質(zhì)勘探資料以及回采巷道掘進(jìn)顯示，3207綜采工作面回采范圍內(nèi)發(fā)育有陷落柱，其中X140陷落柱對(duì)煤炭回采影響有較大影響。后期采用鉆探探測(cè)到陷落柱長軸、短軸長度分別為98 m、40.35 m，陷落柱內(nèi)充填物以砂巖為主，具體采面內(nèi)陷落柱分布位置見圖1所示。

圖1 采面內(nèi)陷落柱分布位置示意圖

2 深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置

2.1 爆破參數(shù)確定

本文采用LS-DYNA軟件并依據(jù)3207綜采工作面地質(zhì)情況對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行確定。采用LS-DYNA軟件對(duì)不同直徑炸藥對(duì)鉆孔圍巖裂隙發(fā)育情況進(jìn)行模擬分析，具體陷落柱內(nèi)砂巖巖性參數(shù)見表1所示。

表1 巖性參數(shù)

數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，鉆孔內(nèi)炸藥爆破后產(chǎn)生的沖擊波向應(yīng)力波轉(zhuǎn)化，同時(shí)，隨著擴(kuò)展距離增加以及能耗消耗應(yīng)力波呈現(xiàn)逐漸衰減趨勢(shì)。對(duì)爆破后爆破孔周邊裂隙擴(kuò)散長度進(jìn)行測(cè)算，發(fā)現(xiàn)爆破孔裂隙區(qū)半徑約為爆破使用的藥卷半徑的32倍～35倍。具體采用不同直徑炸藥時(shí)爆破孔周邊裂隙擴(kuò)展情況見第170頁表2所示。

通過表2數(shù)據(jù)擬定爆破藥卷直徑、裂隙區(qū)半徑間的線性回歸方程，具體見第170頁圖2，擬定的線性回歸方程R2=0.994。從圖2看出，當(dāng)爆破采用的藥卷直徑為63 mm時(shí)爆破后產(chǎn)生的裂隙區(qū)半徑可達(dá)到2 016 mm。采面回采高度為3 m，由此可見將采用直徑63 mm藥卷后產(chǎn)生的裂隙可充滿整個(gè)采面，具體可將爆破孔布置在采面中部位置。

表2 藥卷直徑與裂隙擴(kuò)展半徑對(duì)應(yīng)表

圖2 爆破藥卷直徑、裂隙區(qū)半徑間擬合曲線

陷落柱內(nèi)堅(jiān)硬巖層松動(dòng)爆破鉆孔在采面輔助回風(fēng)巷內(nèi)布置，在巷道內(nèi)爆破鉆孔從陷落柱左側(cè)邊緣10.56 m位置開始施工，爆破孔間距為2.5 m，布置長度共計(jì)85 m。爆破孔深度設(shè)計(jì)在10 m～36 m，具體采面內(nèi)爆破孔布置見圖3所示。為了提高爆破安全性，一次爆破炸藥量控制在200 kg以內(nèi)，爆破孔內(nèi)炮眼均使用正向裝藥方式。

圖3 爆破孔布置示意圖(m)

2.2 爆破孔封孔

爆破孔封孔質(zhì)量不僅關(guān)系爆破安全而且直接影響爆破效果。本次深裂爆破封孔使用材料為黃土和砂按照3∶1的質(zhì)量配比組成的黏性材料，并適當(dāng)添加一定量的水。具體爆破孔封孔長度可通過公式(1)計(jì)算[7]。

(1)

其中：L為封孔長度；R為爆破孔半徑，取值47 mm；n為綜合影響系數(shù)，取值1.5；f為側(cè)壓系數(shù)，取值0.3；λ為封孔材料摩擦系數(shù)，取值0.02。

將上述參數(shù)帶入公式(1)即可求得L≥5.9 m，實(shí)際取值為6 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

在X140陷落柱內(nèi)充填的巖石性質(zhì)為砂巖且裂隙不發(fā)育，砂巖間膠結(jié)物以泥巖為主，爆破后產(chǎn)生的能量在泥巖中消散較快，從而為爆生氣體提供有較為充足的膨脹補(bǔ)充空間。在采面輔助回風(fēng)巷內(nèi)深孔預(yù)裂爆破結(jié)束后，對(duì)爆破效果進(jìn)行考察分析。其中由于5#鉆孔封孔長度較短且封孔質(zhì)量較差，從而導(dǎo)致深孔爆破后炮泥被爆破沖擊沖出問題，其余的鉆孔均得以正常爆破。

對(duì)爆破后采面過陷落柱情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由采面鉆探以及物探資料顯示，在采面內(nèi)賦存有X165陷落柱，采面過X165陷落柱時(shí)采用平推硬過方式，累積割巖距離為31.8 m，耗時(shí)共計(jì)9 d，更換截割共計(jì)369把、截割齒消耗速率為12.45把/m，采面平均推進(jìn)速度為3.5 m/d。在采面過X140陷落柱時(shí)采用深孔預(yù)裂爆破方式輔助破巖，預(yù)裂爆破范圍覆蓋整個(gè)陷落柱發(fā)育區(qū)域，在采面過X140陷落柱時(shí)采煤機(jī)累積割巖距離為85 m，耗時(shí)共計(jì)21 d，期間共計(jì)更換270把截割齒、截割齒消耗速率為3.53把/m，采面平均推進(jìn)速度為4.05 m/d。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)陷落柱內(nèi)堅(jiān)硬砂巖進(jìn)行松動(dòng)爆破后，采煤機(jī)截割速度提升14.7%，截割齒消耗量降低74.5%，取得較為顯著的應(yīng)用成果，表明采用深孔預(yù)裂爆破可有效提升綜采工作面過陷落柱效率。

4 結(jié)論

1) 深孔預(yù)裂爆破孔布置方式、裝藥量以及封孔方式會(huì)直接影響爆破效果，根據(jù)3207綜采工作面、X140陷落柱具體情況，采用LS-DYNA軟件模擬得出，爆破孔采用65 mm直徑炸藥后產(chǎn)生的裂隙范圍可覆蓋整個(gè)采高，從而提高采煤機(jī)破巖效率；將爆破孔布置在采面中間位置，間距為2.5 m、封孔長度在6 m，一次爆破最大炸藥量控制在200 kg以內(nèi)。

2) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，采面過深孔預(yù)裂爆破區(qū)時(shí)采煤機(jī)推進(jìn)速達(dá)到4.05 m/d、推進(jìn)速度提升14.7%，采煤機(jī)截割齒消耗量降幅達(dá)到74.5%，取得較為明顯的應(yīng)用成果。但是在現(xiàn)場(chǎng)爆破過程中部分爆破孔由于封孔距離不夠出現(xiàn)一定程度沖孔問題，因此在后續(xù)使用過程中應(yīng)引起足夠重視，確保封孔長度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。