淺孔、中深孔聯(lián)合松動(dòng)爆破過(guò)綜采面復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶技術(shù)

張曉東，劉智敏，李建國(guó)，王璽淦，甘 濤

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037042）

0 引 言

煤礦井下回采作業(yè)中，地質(zhì)構(gòu)造是影響綜采工作面安全高效推進(jìn)的重要因素，也是煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)經(jīng)常遇到的實(shí)際問(wèn)題。隨著淺部煤炭資源枯竭，礦井延伸后各煤炭集團(tuán)對(duì)煤炭資源高效回采也提出了新的要求，面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶，通過(guò)大力推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新，在保證安全的前提下應(yīng)采盡采、綠色開(kāi)采，用科技創(chuàng)新延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限，推動(dòng)煤炭資源最大幅度的高效回采、綠色回采。挖金灣礦屬石炭二疊系延伸礦井，8108 工作面又是礦井南部區(qū)域首采工作面，解決生產(chǎn)過(guò)程中遇到的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶具有十分重要的研究和指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

挖金灣礦石炭二疊系山4 號(hào)層8108 綜采工作面北部與落差9.0 m 斷層相鄰，東部與南翼回風(fēng)巷、南翼主運(yùn)巷相接，西南部尚未開(kāi)拓，煤層平均厚度為3.86 m，傾角在1°～3°之間。采用綜合機(jī)械化開(kāi)采方法，MG900/2360-WD 型采煤機(jī)割煤，工作面頂板由128 個(gè)ZY12000/24/48D 型掩護(hù)式普通架、1 個(gè)ZYG12000/24/48D 型掩護(hù)式過(guò)渡支架和7 個(gè)ZYT12000/24/48D 型掩護(hù)式端頭支架（工作面頭部4 架，尾部3 架）支護(hù)，SGZ1000/3×855 型刮板輸送機(jī)、SZZ1200/525 型 轉(zhuǎn) 載 機(jī)、PLM3500 型 破 碎 機(jī)、DSJ120/350/3×250 型可伸縮帶式輸送機(jī)構(gòu)成工作面運(yùn)煤系統(tǒng)，全部垮落法管理頂板。該工作面從切眼處開(kāi)始沿走向方向386 m 范圍內(nèi)揭露9 條正斷層和1 條火成巖，是典型的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造群，斷層群落差在2.3～4.5 m；火成巖寬3 m，從煤層頂板呈床形侵入，沿煤層走向方向?qū)ぷ髅嬗绊?84 m；斷層變化極不穩(wěn)定，衍生斷層較多，頂板管理困難。在火成巖與斷層重疊區(qū)域5 個(gè)支架范圍巖石硬度極大，巖性為白色砂巖和細(xì)砂巖，采煤機(jī)難以截割，堅(jiān)硬巖石沿回風(fēng)順槽影響近30 m, 以往只在切眼處施工淺孔松動(dòng)爆破技術(shù)已不滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。地質(zhì)構(gòu)造群情況見(jiàn)圖1，煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

圖1 8108 工作面地質(zhì)構(gòu)造群情況

表1 8108 工作面頂?shù)装鍘r性

2 淺孔、中深孔聯(lián)合松動(dòng)爆破技術(shù)

井工煤礦綜采工作面過(guò)斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造常用的松動(dòng)爆破分為淺孔和深孔2 種[1]。淺孔炮孔直徑一般不超過(guò)50 mm，孔深不超過(guò)5 m，深孔炮孔深度[2]一般為8～15 m，孔徑為75～350 mm。本工作面過(guò)地質(zhì)構(gòu)造群所采用的孔深為1.6 、5 、6、7、8 m，屬淺孔和中深孔松動(dòng)爆破范疇。

淺孔、中深孔聯(lián)合松動(dòng)爆破技術(shù)在火成巖與斷層重疊時(shí)切眼處尾部5 個(gè)支架范圍施工淺孔松動(dòng)爆破，同時(shí)沿堅(jiān)硬巖石影響回風(fēng)順槽30 m 范圍施工中深孔松動(dòng)爆破。聯(lián)合松動(dòng)爆破技術(shù)是利用不耦合裝藥空隙的存在來(lái)減弱沖擊破作用在孔壁上的爆壓峰值，同時(shí)為炮孔間提供聚能的臨空面。在切向拉應(yīng)力作用下使炮孔四周產(chǎn)生徑向裂紋，臨空面聚能作用使孔間連線產(chǎn)生應(yīng)力集中，在應(yīng)力波反射應(yīng)力作用下孔間裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，使巖石進(jìn)一步破碎。

3 淺孔、中深孔聯(lián)合松動(dòng)爆破技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.1 最小抵抗線的確定

炸藥在煤巖中爆炸，根據(jù)爆炸對(duì)巖體的破碎程度，大致可分為3 個(gè)區(qū)域：壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性振動(dòng)區(qū)[3-4]。在爆破中區(qū)，爆破產(chǎn)生的沖擊波和爆生氣體將煤體碎裂成裂隙體。依據(jù)工作面采煤需要，在切眼和5105 回風(fēng)順槽分別設(shè)計(jì)爆破的爆破參數(shù)，通過(guò)爆生應(yīng)力波作用原理確定爆破中區(qū)松動(dòng)圈半徑[5]。

式中:RP為松動(dòng)圈半徑;α為應(yīng)力波衰減值，α=（2-υ）/（1-υ）；St為抗拉強(qiáng)度，MPa;υ為泊松比;P為應(yīng)力波初始徑向應(yīng)力峰值，其大小可用以下公式計(jì)算：

式中:Di為炸藥爆速，m /s；ρ0為裝藥密度，kg/m3；rc為裝藥半徑cm；rb為炮眼半徑，cm；n為壓力增大倍數(shù)。

將工程數(shù)據(jù)Di= 3 600 m/s，ρ0= 0.278 kg/m3，rc= 17.5 mm，rb= 21 mm，St= 1.29 MPa，n = 10，υ= 0.235。代入得ω= 545.79 mm 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取最小抵抗線ω=1.2 m。

松動(dòng)爆破的要點(diǎn)是控制好單孔裝藥量，才能達(dá)到既能松動(dòng)巖石，又不致巖石崩落拋擲的效果。工作面淺孔單孔裝藥量的計(jì)算：

式中:Q為單孔實(shí)際裝藥量，kg;e為爆力系數(shù)，取1.0～1.3；q為標(biāo)準(zhǔn)條件下的炸藥單耗，一般取0.2～0.35 kg /m3；g 為炮眼堵塞系數(shù)；l為炮眼深度，m;ω為最小抵抗線，m；nc為炮眼深度對(duì)炸藥消耗量的影響系數(shù)。將e= 1.0、q= 0.35、g= 1.2、l= 1.6 m、ω= 1.2 m、nc=1.3 代入得單孔實(shí)際裝藥量0.655 2 kg，實(shí)踐中根據(jù)煤巖性質(zhì)和實(shí)際爆破效果調(diào)整實(shí)際單孔裝藥量0.6 kg。同理計(jì)算并依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定要求，可得順槽中深孔單孔裝藥量見(jiàn)表2。

表2 5108 順槽中深孔單孔爆破技術(shù)參數(shù)

3.2 聯(lián)合松動(dòng)爆破炮孔布置方式

工作面切眼淺孔松動(dòng)爆破技術(shù)參數(shù)：工作面切眼淺孔松動(dòng)爆破采用五花眼布置3 排鉆孔，孔徑為42 mm，藥卷直徑35 mm, 孔深為1.6 m，排距為0.7 m，孔間距為1.5 m，頂孔上傾20°，底孔下傾10°，中間孔垂直煤壁鉆進(jìn)，在巖石交面處將孔間距增大為1.75 m，最小抵抗線為1.2 m，單孔裝藥量為0.6 kg，封孔長(zhǎng)度為0.5 m，正向不耦合裝藥，不耦合系數(shù)為1.2[6]，分組起爆。

回風(fēng)順槽中深孔松動(dòng)爆破技術(shù)參數(shù)：回風(fēng)順槽以間距1.2 m 布置一排孔徑為55 mm 的中深孔，藥卷直徑35 mm,不耦合系數(shù)為1.57，中深孔孔中心距巷道底板1.3 m，上傾13°，共布置15 鉆孔，首孔距切眼煤壁距離2.6 m，不耦合裝藥，分組起爆。聯(lián)合松動(dòng)爆破炮孔布置如圖2 所示。

3.3 聯(lián)合松動(dòng)爆破技術(shù)要求

工作面切眼煤巖交接面爆破孔裝入炸藥量少，炮孔可以直接起爆，起爆后火成巖其他區(qū)域炮孔再起爆，細(xì)砂巖處爆破孔裝藥量多，必須分2～3 組進(jìn)行，每組起爆炮孔數(shù)控制在5～6 個(gè)，且先起爆白砂巖區(qū)域炮孔。5108 順槽中深孔起爆應(yīng)超前切眼煤壁5 m 先與切眼淺孔起爆，每組起爆2 個(gè)中深孔，一組起爆后應(yīng)對(duì)爆破區(qū)域做質(zhì)量檢查，及時(shí)處理“盲炮”等問(wèn)題[7]。

裝藥前爆破連線必須按照規(guī)程要求嚴(yán)格執(zhí)行，接頭要清潔牢固，連線后需由爆破員再檢查，確保連線質(zhì)量；裝藥時(shí)爆破員應(yīng)拉直雷管腳線并緊靠炮眼的孔壁[8]，所有接頭必須采用防水膠帶包扎，接頭處不得與其他物體接觸，應(yīng)懸空；中深孔起爆前應(yīng)在5108 巷薄弱點(diǎn)增設(shè)單體液壓支柱，并做好施工機(jī)械設(shè)備防護(hù)措施；切眼淺孔爆破時(shí)通過(guò)液壓支架前吊掛擋矸皮帶等方式嚴(yán)格做好工作面采煤設(shè)備防護(hù)措施。

圖2 聯(lián)合松動(dòng)爆破炮孔布置圖

在火成巖與煤交面處若出現(xiàn)頂板破碎等情況時(shí)，在切眼處淺孔松動(dòng)爆破頂孔減小裝藥量減少同時(shí)起爆孔數(shù)，同時(shí)減小回風(fēng)順槽施工中深孔的上傾角，來(lái)減弱對(duì)頂板的破壞，淺孔和中深孔炮泥封堵質(zhì)量，加強(qiáng)5108 回風(fēng)順槽支護(hù)質(zhì)量；嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢”和“三人連鎖”放炮制度。

4 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用效果

8108 工作面過(guò)火成巖與斷層重疊區(qū)時(shí)，采煤機(jī)無(wú)法正常截割，采用切眼施工打淺孔時(shí)，效果不夠理想，采煤機(jī)截割時(shí)機(jī)身振動(dòng)幅度很大，日均更換截齒達(dá)90 %以上，滾筒齒座也有損壞，增加炮孔施工密度，影響打鉆效率，不僅增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度也嚴(yán)重影響了工作面的推進(jìn)速率，每日只能推進(jìn)2 刀，日產(chǎn)原煤3 000 t。

按上述設(shè)計(jì)方案，在切眼施工淺孔松動(dòng)爆破的同時(shí)在5108 回風(fēng)順槽超前切眼煤壁20 m 打中深孔進(jìn)行松動(dòng)爆破?；仫L(fēng)順槽相對(duì)采煤工作面施工空間較大，便于施工，且與切眼施工淺孔和采煤工序互不干預(yù)，配合切眼淺孔松動(dòng)爆破后巖石的完整性和強(qiáng)度明顯降低，并存有大量不規(guī)則的微小裂隙，有利于工作面的頂板管理。應(yīng)用切眼淺孔松動(dòng)爆破、回風(fēng)順槽中深孔松動(dòng)爆破聯(lián)合技術(shù)后，工作面每日可推進(jìn)5 刀，日進(jìn)4.0 m，日產(chǎn)7 500 t,有效地加快了工作面的推進(jìn)速度和生產(chǎn)效率為安全高效地過(guò)堅(jiān)硬極復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造創(chuàng)造了良好的條件。

5 結(jié) 論

1）依據(jù)石炭二疊系山4 號(hào)層8108 綜采工作面的地質(zhì)構(gòu)造情況和實(shí)際生產(chǎn)面臨的問(wèn)題，提出了過(guò)極復(fù)雜堅(jiān)硬地質(zhì)構(gòu)造帶采用的淺孔、中深孔聯(lián)合松動(dòng)爆破技術(shù)及合理可行的爆破參數(shù)。

2）淺孔、中深孔爆破技術(shù)應(yīng)用于石炭二疊系山4 號(hào)層8108 綜采工作面爆破后有效地弱化了切眼處巖石的強(qiáng)度，但仍具有一定的殘余強(qiáng)度，有利于綜采面切眼頂板的管理。

3）利用切眼施工淺孔松動(dòng)爆破、5108 回風(fēng)順槽施工中深孔松動(dòng)爆破聯(lián)合技術(shù)便于打眼放炮，不影響工作面應(yīng)有生產(chǎn)、檢修工序，具有平行作業(yè)的優(yōu)勢(shì)，有效地提高了綜采面的推進(jìn)速度和生產(chǎn)效率。

4）應(yīng)用淺孔、中深孔聯(lián)合爆破技術(shù)后，日產(chǎn)原煤由原來(lái)的2 刀提升到5 刀，綜合施工人工成本、爆破器材使用情況、機(jī)電檢修量、截齒損耗情況及對(duì)綜采面機(jī)電設(shè)備和人員安全影響，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益；且為石炭二疊系礦井類似工程提供了切實(shí)可行的實(shí)際案例。

5）淺孔、中深孔聯(lián)合爆破技術(shù)需加強(qiáng)礦井、綜采面礦壓規(guī)律顯現(xiàn)管理，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造實(shí)際情況及工作面、順槽頂板情況，應(yīng)于適當(dāng)?shù)恼{(diào)整松動(dòng)孔布置方式和技術(shù)參數(shù)，在周期來(lái)壓和因地質(zhì)構(gòu)造影響頂板破碎時(shí)需加強(qiáng)頂板管理、順槽補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)、調(diào)整松動(dòng)孔技術(shù)參數(shù)，以便達(dá)到生產(chǎn)預(yù)期效果。