張學亮,賈光勝,2,徐 剛,2

(1.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

深孔爆破弱化堅硬頂板參數(shù)優(yōu)化分析

張學亮1,賈光勝1,2,徐 剛1,2

(1.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)

論述了堅硬頂板的危害,指出深孔爆破可弱化堅硬頂板并說明其特點。重點分析了鉆孔長度、鉆孔間距、鉆孔直徑、封孔長度 4個對深孔爆破影響最大的參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)和對深孔爆破的影響及其參數(shù)優(yōu)化范圍。實際應(yīng)用表明參數(shù)優(yōu)化范圍是可行且有效的。

深孔爆破;堅硬頂板;參數(shù)優(yōu)化

長壁工作面開采絕大多數(shù)采用全部垮落法處理頂板,頂板能夠隨著工作面推進而自行垮落是長壁工作面實現(xiàn)安全回采的首要條件。

堅硬頂板強度高,節(jié)理、裂隙不發(fā)育,具有整體性好和自穩(wěn)能力強等特點,當煤層頂板為堅硬難垮落頂板時,回采過程中容易形成大面積懸頂。當頂板大面積突然垮落時極易形成颶風和強沖擊載荷,容易造成人員傷亡和設(shè)備損壞,而且容易造成瓦斯瞬間涌出,誘發(fā)瓦斯重特大事故,當煤巖體有沖擊傾向性時,還容易誘發(fā)沖擊礦壓災(zāi)害[1-4]。

為了達到工作面安全、高效生產(chǎn),必須對此類頂板進行弱化處理,深孔爆破是較為常用的一種方法。

1 深孔爆破方法及其特點

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的要求,不允許在工作面對頂板進行爆破,因此,實際生產(chǎn)過程中多采用超前深孔爆破實現(xiàn)頂板的弱化,具體做法是：在上、下巷或特殊巷道 (工藝巷)向頂板打深孔,在工作面前方一定距離進行預(yù)爆破,預(yù)先破壞頂板的完整性。井下深孔爆破不同于常規(guī)爆破,有 2個特點[5]：

(1)雖有一個自由面,但因鉆孔較深,基本不能利用。深孔爆破破壞作用于煤巖體深部內(nèi)部,相當于無自由面爆破在其內(nèi)部的擾動損傷破裂。

(2)深孔爆破是分組依次起爆,前面的爆破形成弱面區(qū)域?qū)罄m(xù)的爆破效果起到增強作用。

2 影響深孔爆破的參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)分析

在確定深孔爆破參數(shù)的過程中,既要考慮到取得良好的爆破效果,又要在經(jīng)濟技術(shù)上合理可行。因此,爆破參數(shù)確定的合理與否是該方法能否取得成功的技術(shù)關(guān)鍵。深孔爆破中,對爆破效果影響最大的參數(shù)有鉆孔長度、孔間距、裝藥量、封孔長度及裝藥結(jié)構(gòu)[6]。在爆破孔直徑、鉆孔長度確定之后,裝藥量也就相應(yīng)確定了,實際上確定爆破參數(shù)就是確定布孔參數(shù),包括孔長、孔間距、孔徑及封孔長度 4個主要參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)。

2.1 鉆孔長度

確定鉆孔長度主要考慮到工作面堅硬頂板的厚度,鉆機能力,裝藥機能力,煤礦導爆索每卷長度,其中堅硬頂板厚度應(yīng)優(yōu)先考慮,使堅硬頂板巖體都在爆破作用范圍內(nèi)。

炮眼垂深的確定,按經(jīng)驗公式計算,有效放頂深度 H至少為：

式中,M為工作面割煤高度,m;Kp為巖石破碎后的體積膨脹系數(shù)。

確定炮孔有效放頂深度 H之后,便可根據(jù)炮孔角度計算得出鉆孔長度。

鉆機一般可選用MYZ-150型、SKZ2120A型等液壓鉆機,通?？梢皂樌@進 50～70m,并能保證孔形完好,為裝藥創(chuàng)造良好的條件[7]。

裝藥工藝[8]可采用BQF-50A型壓風裝藥機配合抗靜電阻燃塑料管進行連續(xù)裝藥。在裝藥工序中,最主要的是深孔送輸藥管比較困難,由于輸送管剛度不夠,經(jīng)常出現(xiàn)輸送藥管送不到孔底現(xiàn)象。現(xiàn)在多采用內(nèi)徑與藥卷和鉆孔孔徑相匹配的 PVC管作為炸藥的載體,將 PVC管沿直徑方向剖開一側(cè),將藥包和導爆索等放入,再用膠帶紙進行綁扎。PVC管間用管接頭連接。這樣保證了裝藥的剛度,可以很方便地將藥包送入炮眼底部。

根據(jù)炮孔長度和封泥長度確定導爆索長度,導爆索出廠時,除非特別提出要求可以適當加長外,一般每卷長度 50m,當孔深超過 50～60m時,就需要接導爆索,這在裝深孔時既麻煩又不可靠,接頭容易斷開,在設(shè)計鉆孔長度時應(yīng)考慮這一因素。

綜上,可根據(jù)公式 (1)先計算確定炮孔有效放頂深度,然后考慮炮孔的傾角計算得出炮孔的長度。結(jié)合現(xiàn)場具體的頂板地質(zhì)條件和鉆孔布置角度,一般情況下,炮孔長度在 10～50m。

2.2 鉆孔直徑

鉆孔直徑實際上就是裝藥直徑。顯而易見,孔徑越大,爆破作用范圍就越大。然而孔徑增大要受到許多因素的限制。

首先受到鉆機能力的限制。對于功率一定的鉆機,孔徑增大,鉆進速度會明顯降低,鉆同樣深的孔徑就要增加鉆進時間,經(jīng)濟上是不合理的。其次,受堅硬頂板巖體條件的限制。對于完整性較差的堅硬頂板,容易出現(xiàn)鉆孔變形和塌孔現(xiàn)象。第三,孔徑過大會給封孔造成困難。因為封泥的橫截面隨孔徑增大而增大,封泥強度與小孔徑相比相對降低,而爆生氣體作用在封泥上的總壓力相應(yīng)增大。

在同等條件下封孔長度就要增加,有效作用孔長隨之減小,總裝藥量相應(yīng)減小,由于孔徑增大而提高的爆破效果會因此有所降低。若采用封孔器封孔,增大孔徑后的封孔器尺寸也增大,增加了爆破成本。

總之,爆破孔徑應(yīng)確定在一個合理的范圍內(nèi),根據(jù)分析計算及現(xiàn)場試驗,爆破孔徑在 50～100mm之間較為合理。

2.3 孔間距

孔間距的確定與頂板條件及爆破孔孔徑有關(guān),此外還受到經(jīng)濟因素的制約。在頂板條件一定時,孔間距大小應(yīng)與爆破孔直徑相匹配,即孔間距與孔徑之比應(yīng)在一個合理的范圍內(nèi)才能取得良好的爆破效果。爆破孔徑增大,孔間距可隨之增大。但過小的孔間距會使鉆孔工程量增大,鉆爆成本增加,因此,在優(yōu)先保證良好的爆破效果的前提下,應(yīng)盡量地增大孔間距。

深孔爆破的孔間距理論上等于 2倍裂隙區(qū)半徑[8],這樣能夠達到較好的爆破效果。

2.4 封孔長度

深孔爆破中,爆破孔的封孔長度是非常關(guān)鍵的參數(shù),要求能夠保證封住爆破孔。封孔長度應(yīng)保障炮孔爆破不影響直接頂相對穩(wěn)定層,工作面不片幫、不漏頂,炮孔中炸藥爆炸時產(chǎn)生的高壓氣體不沖出孔口,從而保障爆破安全。

爆破孔裝藥爆炸后,應(yīng)力波沿徑向傳播的同時也沿軸向傳播。當應(yīng)力波到達頂板時會發(fā)生反射。如果封孔長度小,則可能在封孔段造成拉伸裂隙,對現(xiàn)場安全造成隱患。

炮孔充填堵塞一般可采用剛 -塑 -剛結(jié)構(gòu)。上端剛性材料堵塞,充分發(fā)揮炸藥對巖體的爆破能量;中部塑性材料充填,對爆炸高溫高壓氣體讓位緩沖;下端剛性材料堵塞,保持爆炸氣體壓力繼續(xù)對巖體作用,同時不沖出孔口,充分利用炸藥能量,提高爆破效果。炮孔中部堵塞的塑性材料一般為按一定配比混合的黃土細沙。上下端堵塞的剛性材料一般為深孔爆破處理難冒頂板專用堵孔水泥。

綜上分析,結(jié)合以往深孔爆破經(jīng)驗[2],封孔長度一般為炮孔長度的 1/3。

2.5 裝藥結(jié)構(gòu)

裝藥結(jié)構(gòu)一般采用連續(xù)耦合裝藥,輔以煤礦導爆索正向起爆。采用耦合裝藥時,炸藥爆炸生成的爆轟波和高溫、高壓爆生氣體產(chǎn)物直接沖擊炮孔孔壁,而不耦合裝藥時,通過炮孔與藥卷間隙中的不耦合介質(zhì) (空氣和水)間接地沖擊炮孔孔壁,在炮孔周圍巖石中激起沿徑向傳播的沖擊波,造成巖石的動態(tài)沖擊壓縮破碎。不耦合裝藥與耦合裝藥相比,主要不同有以下 3方面：降低了爆炸時的初始壓力,延長了爆炸產(chǎn)物在介質(zhì)內(nèi)部的作用時間;減少了消耗在使周圍介質(zhì)發(fā)生過于破碎和產(chǎn)生塑性變形的能量;增加了爆生氣體形成的 “氣楔”作用時間,能產(chǎn)生較長的裂紋。

文獻 [9]采用 AUTODYN數(shù)值模擬軟件分析了不耦合系數(shù)對爆破效果的影響。數(shù)值分析表明：隨著不耦合系數(shù)的增加,爆破產(chǎn)生的裂隙區(qū)直徑在增大,破碎區(qū)半徑在減少。采用不耦合裝藥方式適合深孔爆破。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

某礦大采高綜采工作面采高為 4.3 m,煤層直接頂為厚 3.7 m的粉砂巖,單軸抗壓強度為 39.6 MPa;基本頂為厚 14.57 m的中粗砂巖,單軸抗壓強度為 81.7 MPa,直接頂和基本頂都較硬,不易垮落,采用深孔爆破對頂板進行弱化處理。深孔爆破分切眼拉槽爆破和兩巷步距爆破,主要解決初采和正?；夭善陂g的工作面來壓問題。

根據(jù)式 (1),M取 4.3 m,Kp取 1.4,計算初步確定頂板巖層處理高度為 10.75m。爆破炮孔直徑 65 mm,炸藥直徑為 50 mm,裝藥不耦合系數(shù)1.3,封孔長度為炮孔深度的 20%～30%,一次起爆藥量最多為 500 kg。切眼炮孔布置如圖 1和圖2,炮孔參數(shù)如表 1,巷道內(nèi)炮孔布置如圖 3和圖4,炮孔參數(shù)如表 2和表 3。

圖1 切眼炮孔平面布置

圖2 切眼炮孔剖面布置

表1 切眼炮眼參數(shù)與裝藥量

未進行弱化處理時基本頂初次來壓步距為64m,來壓強烈;經(jīng)過處理后,基本頂初次來壓步距縮小為 34m,來壓不強烈,工作面沒有受到大的沖擊。實踐表明,深孔爆破弱化堅硬頂板的方法可行且有效。

圖3 兩巷炮孔平面布置

圖4 兩巷炮孔剖面布置

表2 運輸巷內(nèi)炮眼參數(shù)與裝藥量

表3 回風巷內(nèi)炮眼參數(shù)與裝藥量

4 結(jié)論

(1)煤礦井下深孔爆破不同于一般爆破方法,雖有一個自由面,基本不能利用,破壞作用主要控制于煤巖體深部內(nèi)部。深孔爆破是分組依次起爆,前面的爆破形成弱面區(qū)域?qū)罄m(xù)的爆破效果起到增強作用。

(2)深孔爆破中,確定爆破參數(shù)主要就是確定布孔參數(shù),包括孔長、孔間距,孔徑,封孔長度4個主要參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)。

(3)分析得出深孔爆破的主要參數(shù)的優(yōu)化范圍：炮孔長度在 10～50m;爆破孔徑在 50～100mm;孔間距應(yīng)盡量等于 2倍裂隙區(qū)半徑;封孔長度一般為炮孔長度的 1/3;裝藥結(jié)構(gòu)采用不耦合裝藥。

(4)實踐表明,深孔爆破弱化堅硬頂板參數(shù)優(yōu)化的范圍是可行且有效的。

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Optim ization Analysis of Parameters of Deep-hole Blasting for Soften ing Hard Roof

ZHANG Xue-liang1,J IA Guang-sheng1,2,XU Gang1,2
(1.CoalMining&Designing Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

This paper discussed disasterof hard roof and indicated that deep-hole blasting could soften hard roof.It emphatically analyzed influence of bore length,interval,diameter and hole sealing length on deep-hole blasting and presented parameters opt imization range.Practical application showed that parameter opt imization range was feasible and effective.

deep-hole blasting;hard roof;parameter optimization

TD235.35

A

1006-6225(2010)01-0026-03

2009-10-26

張學亮 (1984-),男,山東臨朐人,煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院在讀碩士研究生。

王興庫]

應(yīng)用基礎(chǔ)