曹懷建(霍州煤電集團(tuán) 李雅莊煤礦，山西 霍州 031400)

斷層作為煤礦開采過程中常見的地質(zhì)構(gòu)造，嚴(yán)重阻礙了工作面的正常推進(jìn)，采用鉆爆法通過斷層是極為有效的作業(yè)方式。近些年來，許多學(xué)者針對煤礦斷層的爆破方式進(jìn)行研究。吳帥等[1]提出了根據(jù)深孔爆破裂隙區(qū)貫通并部分重疊確定孔距的方法。李衛(wèi)平[2]運(yùn)用數(shù)值分析軟件模擬了單孔爆破的巖體破壞過程來確定合理的斷層鉆爆工藝。中深孔預(yù)裂松動(dòng)爆破技術(shù)發(fā)展較為成熟并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類煤礦開采[3-6]. 本文以李雅莊煤礦2-605工作面為例，結(jié)合理論分析與現(xiàn)場操作，深入研究中深孔松動(dòng)預(yù)裂爆破技術(shù)，有效解決了實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題。

1 工程概況

李雅莊煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層發(fā)育較多，2-605工作面走向長度1 203 m，傾斜長度215 m，煤層厚度3.2 m，煤層傾角5°～13°，平均傾角7°，工作面割煤高度3.2 m. 2-605工作面有兩條5 m斷層和一個(gè)陷落柱，其中一條斷層在切巷揭露48 m，在正巷揭露71 m(如圖1)，斷層圍巖強(qiáng)度較高，工作面回采截割過程中對機(jī)械設(shè)備磨損嚴(yán)重，極大地影響了工作面推進(jìn)速度和煤炭產(chǎn)量，增加了生產(chǎn)成本，不利于李雅莊煤礦經(jīng)濟(jì)效益的提升。

圖1 2-605工作面設(shè)計(jì)圖

2 爆破工藝

2.1 爆破參數(shù)選擇

鉆機(jī)選用石家莊ZDY-2000S礦用坑道鉆機(jī)，鉆孔直徑為90 mm. 根據(jù)斷層落差和松動(dòng)預(yù)裂爆破要求，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)沿?cái)鄬犹幟罕谑┕ひ慌排谘?，孔口距底板距離為1.2 m. 為充分利用爆破能量，炮孔與煤壁夾角設(shè)計(jì)為90°,仰角-1°～0°.

炮孔深度的確定取決于沿工作面的爆破范圍和斷層走向，為保證工作面在斷層前方調(diào)成水平推進(jìn)，炮孔深度取10～30 m.

根據(jù)蘇聯(lián)A.A費(fèi)先柯等人的理論，推導(dǎo)出炮孔間距的計(jì)算公式如下：

E=a·r(2)

式中：

E—炮孔間距，m；

a—炮孔半徑的倍數(shù)，取3；

St—巖石的抗拉強(qiáng)度；

n—空氣沖擊波遇到障礙物時(shí)在障礙物中增長的系數(shù)；

p—波陣面壓力；

r—鉆孔半徑；

μ—巖石泊松比。

根據(jù)計(jì)算，孔間距取1.5 m.

中深孔松動(dòng)爆破中，確定合理的封孔長度，既能保證巖體松動(dòng)爆破效果，又不產(chǎn)生孔口碎石過度拋擲的現(xiàn)象。封孔長度一般取孔深的1/4左右，通過計(jì)算，該工程中取3～7 m. 爆破參數(shù)見表1. 炮眼平剖面示意圖見圖2.

表1 爆破參數(shù)表

圖2 炮眼平剖面示意圖

2.2 爆破工藝

1) 裝藥。為了防止中深孔爆破過程中“管道效應(yīng)”的產(chǎn)生，在炮孔中加裝導(dǎo)爆索。安裝炸藥時(shí)使用炸藥被筒，炸藥被筒外徑為75 mm，采用雙抗(抗靜電、抗燃燒)的PVC管制成，每節(jié)炸藥像“蠟燭”一樣內(nèi)芯含兩根導(dǎo)爆索。操作時(shí)先將炸藥、導(dǎo)爆索放入d75 mm的PVC管內(nèi)，然后將PVC管塞入炮孔里，裝藥結(jié)構(gòu)見圖3.

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)圖

2) 連線。炮線連接采用炮孔之間串聯(lián)，每個(gè)炮孔內(nèi)并聯(lián)的方式進(jìn)行，具體聯(lián)線方式見圖4.

圖4 炮線連接方式圖

3) 封孔。使用水炮泥進(jìn)行封孔作業(yè)，為了確保良好的封孔效果，嚴(yán)格控制炮泥含水量，以手捏剛能成形為準(zhǔn)，塞入炮泥后用炮棍搗實(shí)。

4) 起爆。由工作面靠正巷一端開始向副巷方向依次起爆，每次起爆3～5個(gè)炮孔。起爆方式采用雙雷管、雙導(dǎo)爆索引爆，導(dǎo)爆索延伸至炮眼底部。每一根導(dǎo)爆索用一發(fā)雷管起爆，兩發(fā)雷管采用并聯(lián)方式連接，用膠帶將雷管和導(dǎo)爆索綁扎牢固，保證雷管與導(dǎo)爆索緊密接觸，且藥卷聚能穴端應(yīng)與導(dǎo)爆索傳爆方向一致。

2.3 爆破效果

2-605工作面切巷斷層中深孔預(yù)裂爆破效果對比圖見圖5. 由圖5可知，采煤機(jī)截割工作面斷層過程中，未爆破段的巖石強(qiáng)度高，截割難度大，速度緩慢，采煤機(jī)截割過后煤壁呈直立狀態(tài)，見圖5a)；爆破區(qū)域的巖石強(qiáng)度明顯降低，爆破后切巷煤壁有細(xì)小的裂隙生成，采煤機(jī)截割過后有明顯的片幫現(xiàn)象，見圖5b).

圖5 中深孔預(yù)裂爆破效果對比圖

3 數(shù)值模擬分析

采用LS-DYNA非線性分析軟件對爆破過程進(jìn)行數(shù)值模擬[7-8]，通過分析雙孔之間應(yīng)力波的傳播和疊加規(guī)律，對中深孔松動(dòng)預(yù)裂爆破機(jī)理進(jìn)行研究并說明爆破參數(shù)選取的合理性?？紤]到模型對稱性，取1/2模型計(jì)算，長、寬和高分別為3.0 m、1.2 m和1.2 m，其他參數(shù)與工程相同。有限元模型見圖6，模型內(nèi)部選取3個(gè)測點(diǎn)，由模擬結(jié)果得到有效應(yīng)力曲線，見圖7.

圖6 有限元模型圖

圖7 模型各測點(diǎn)有效應(yīng)力曲線圖

模型剖面和底面有效應(yīng)力的傳播過程分別見圖8a)、b). 三維數(shù)值模擬結(jié)果真實(shí)再現(xiàn)了炸藥在炮孔內(nèi)起爆后應(yīng)力波的傳播、反射和疊加的復(fù)雜過程。圖8a)顯示炸藥起爆后，爆轟波呈錐形沿炮孔底部向頂部傳播，在2 174 μs時(shí)，炸藥爆轟過程結(jié)束。2 506 μs時(shí)有效應(yīng)力在相鄰兩炮孔間發(fā)生首次疊加，圖7各測點(diǎn)的有效應(yīng)力曲線也顯示爆炸應(yīng)力波在A點(diǎn)的有效應(yīng)力峰值為49.67 MPa，B點(diǎn)的有效應(yīng)力峰值迅速衰減至23.81 MPa，當(dāng)兩列應(yīng)力波相遇時(shí)孔間破碎得到加強(qiáng)，C點(diǎn)有效應(yīng)力峰值達(dá)到25.98 MPa. 應(yīng)力波在3 461 μs時(shí)傳播至頂部自由面并發(fā)生反射形成拉伸波，之后，壓縮波與拉伸波在炮孔內(nèi)發(fā)生多次疊加直到趨于穩(wěn)定。圖8b)顯示炸藥爆炸后，爆轟波沖擊炮孔壁形成強(qiáng)應(yīng)力波在各個(gè)炮孔周圍以圓形面向外傳播。從2 506 μs開始孔間應(yīng)力波沿中心線依次疊加，直到5 670 μs時(shí)應(yīng)力波傳播至邊界?？组g各測點(diǎn)有效應(yīng)力峰值均大于斷層的動(dòng)抗壓強(qiáng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)松動(dòng)爆破要求，爆破參數(shù)選用合理。

圖8 有效應(yīng)力傳播云圖

4 結(jié) 論

1) 中深孔松動(dòng)預(yù)裂爆破效果明顯，未爆破區(qū)域，巖石強(qiáng)度高，采煤機(jī)截割過后煤壁呈直立狀態(tài)；爆破區(qū)域，巖石強(qiáng)度明顯降低，煤壁有非常明顯的片幫情況。

2) 相對未爆破前，爆破后2-605工作面每個(gè)圓班可以提高500～1 000 t產(chǎn)量，減少截齒消耗20個(gè)左右，提高了產(chǎn)能和推進(jìn)速度，同時(shí)也節(jié)約了生產(chǎn)材料成本。

3) 數(shù)值模擬再現(xiàn)了整個(gè)爆破過程及應(yīng)力波的作用機(jī)制，結(jié)果顯示爆破參數(shù)選用合理，能夠達(dá)到松動(dòng)預(yù)裂爆破效果。

[1] 吳 帥，李廷春，賈緒路，等.過大落差斷層深孔預(yù)裂爆破合理孔距研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17(6)：163-166.

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