劉 沖

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400)

隨著淺部煤炭資源開采殆盡，以及機(jī)械化程度的不斷提高，安全、高效提高煤炭資源回采利用率是煤炭可持續(xù)發(fā)展的基本要求。巖溶陷落柱作為一種分布廣、影響范圍大的地質(zhì)構(gòu)造給礦井的開掘部署及正常的回采活動(dòng)帶來了較大的影響[1-4]，目前絕大多數(shù)綜采工作面在通過部分巖性強(qiáng)度較高的非導(dǎo)水陷落柱時(shí)仍采用的是平推硬過、潛孔爆破等常規(guī)技術(shù)手段，不僅效率低、刀齒磨損嚴(yán)重而且還存在較大的安全隱患[5-7]。

深孔爆破技術(shù)通過對鉆孔參數(shù)、藥卷直徑、封孔長度的合理設(shè)計(jì)可以高效的完成對陷落柱內(nèi)厚硬巖體的一次性預(yù)裂爆破，從而提高工作面通過陷落柱構(gòu)造區(qū)的效率及安全性[8-10]。鑒于此，本文以山西新元煤礦3207綜采工作面過堅(jiān)硬陷落柱為工程背景，針對煤系地層賦存及開采技術(shù)條件，研制了PVC管組合裝配式擴(kuò)裂彈體及裝藥器，結(jié)合LS-DYNA軟件的數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了針對X140陷落柱的深孔爆破方案。

1 工程概況

新元煤礦3207工作面采用傾斜長壁后退式采煤法，工作面走向長267.4m，推進(jìn)長度為1423m，3207工作面布置如圖1所示，其中，開采煤層平均厚2.73m，偽頂為高嶺石泥巖厚0.25m，直接頂為灰黑色砂質(zhì)泥巖厚3.50m，基本頂為灰白色中粒砂巖厚2.75m。煤層及頂?shù)装鍘r層具體巖性如圖2所示。

圖2 煤系地層綜合柱狀圖

3207工作面推進(jìn)過程中遇到了巖性強(qiáng)度較高的X140陷落柱，X140陷落柱切入到工作面內(nèi)的最大寬度為40.26m，在工作面推進(jìn)方向的延展長度為99m，陷落柱內(nèi)以白砂巖發(fā)育為主，陷落柱位置如圖1所示。

2 擴(kuò)裂彈體與裝藥器的設(shè)計(jì)與研發(fā)

在進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破之前，能否順利把所需炸藥包裝到設(shè)計(jì)的制定位置，是實(shí)現(xiàn)深孔爆破的關(guān)鍵。目前在煤礦實(shí)際爆破過程中，多采用柔性較大的乳化炸藥。以新元煤礦3207綜采工作面過堅(jiān)硬陷落柱為例，在炮眼鉆鑿過程中，一方面由于陷落柱內(nèi)白砂巖多呈塊狀分布且為泥質(zhì)膠結(jié)，成孔后部分孔段孔徑變形較大；另一方面鉆孔完成后，炮孔內(nèi)的巖粉清洗困難。以上兩方面的原因使得藥包在推送過程中很容易破損或被“卡塞”在炮孔中，導(dǎo)致裝藥困難或藥包不連續(xù)，從而影響預(yù)期的爆破效果，并且殘留的炸藥也會(huì)為后續(xù)生產(chǎn)帶來安全隱患。為解決上述兩個(gè)技術(shù)難題，設(shè)計(jì)研發(fā)了PVC管組合裝配式擴(kuò)裂彈體及新型裝藥器。

2.1 PVC管組合裝配式擴(kuò)裂彈體

PVC管組合裝配式擴(kuò)裂彈體，各段彈體壁厚1.5mm，彈體外徑63mm，裝藥長度1000mm，裝藥密度1.1g/cm3，裝藥重量2.95kg，如圖3所示。整個(gè)彈體最前端為錐形結(jié)構(gòu)，可以順利推過不光滑的炮孔和巖粉堆積處。各擴(kuò)裂彈體之間采用絲扣連接，不僅可以在裝藥過程中發(fā)生卡塞時(shí)，藥柱能夠承受推拉作用，而且保證了藥包與藥包之間連接的緊密性，有效杜絕了藥卷間距過大而產(chǎn)生的失爆現(xiàn)象。另外，PVC材料具有良好的阻燃性和化學(xué)穩(wěn)定性，而且在爆炸環(huán)境下，不與瓦斯、煤塵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此可以滿足井下深孔爆破作業(yè)的要求。

圖3 裝藥殼體及其連接

2.2 裝藥器設(shè)計(jì)

深孔擴(kuò)裂爆破的炮孔很長，為了保證構(gòu)件在有足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，達(dá)到輕量化的目的，研究設(shè)計(jì)了新型管狀裝藥器，如圖4所示。該型裝藥器的單根管長為1.5m，直徑40mm，壁厚2mm。在材質(zhì)上選用6063鋁合金，其屈服極限和抗拉強(qiáng)度分別為196MPa和253MPa，因此可以保證裝藥器克服孔壁摩擦力將裝藥殼體送入指定位置，同時(shí)為了方便對深孔進(jìn)行吹孔和沖洗，連接件也采用了中空設(shè)計(jì)。

圖4 裝藥器連接件

3 深孔預(yù)裂爆破優(yōu)化

3.1 爆破參數(shù)確定

LS-DYNA是通用的顯示動(dòng)力分析程序，它被廣泛的運(yùn)用在裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化、爆破裂紋擴(kuò)展等眾多非線性動(dòng)力沖擊問題的研究當(dāng)中[11-15]。根據(jù)3207工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，本文利用LS-DYNA軟件對不同直徑藥卷的擴(kuò)裂半徑進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，陷落柱內(nèi)巖體的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石材料模型力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

爆破完成后不同藥卷直徑下的止裂形態(tài)如圖5所示，由圖5可知，爆破沖擊波在轉(zhuǎn)化為應(yīng)力波后，應(yīng)力波在孔壁呈同心圓的形狀，隨著應(yīng)力波傳播距離的增大及能量消耗破壞巖石的增加，應(yīng)力波呈逐漸衰減的態(tài)勢。通過對裂紋長度的測算可知，裂隙區(qū)的半徑約為藥卷半徑的32倍，以裂紋的分布密度來看，深孔爆破完成后對機(jī)組的通過比較有利。

圖5 不同藥卷半徑下的止裂形態(tài)

為了直觀反映巖體在爆破載荷作用下的力學(xué)性質(zhì)，在模型上距離爆孔中心50cm、150cm、200cm、250cm的位置布測四個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)，記為A、B、C、D，如圖6所示。

圖6 模型測點(diǎn)

四個(gè)單元的應(yīng)力時(shí)程曲線如圖7所示。通過分析曲線可以發(fā)現(xiàn)，各單元應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間及強(qiáng)度與炮孔的中心距離成反比，炮孔周圍巖體的受力狀態(tài)呈現(xiàn)出先壓后拉的特性，并且壓應(yīng)力峰值的絕對值遠(yuǎn)大于拉應(yīng)力峰值的絕對值。

圖7 四個(gè)測點(diǎn)的有效應(yīng)力—時(shí)間曲線

六種工況下的最大裂隙區(qū)半徑見表2。通過對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到了以裝藥半徑為因變量、以裂隙區(qū)半徑為自變量的線性回歸方程，如圖8所示，整個(gè)方程的R2達(dá)到了0.994。由回歸方程可得，當(dāng)藥卷直徑為63mm時(shí)，裂隙區(qū)的直徑為2016mm。結(jié)合工作面3m的采高及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)可知直徑為63mm的藥卷可以滿足工程需要，鉆孔中位處于采高的一半的位置，波動(dòng)200mm處布孔。

表2 裝藥半徑與裂隙半徑統(tǒng)計(jì)

圖8 裝藥半徑與裂隙區(qū)半徑線性擬合

本次深孔預(yù)裂爆破在3207工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷1內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)的規(guī)定，深孔爆破指炮孔直徑大于50mm，并且深度大于5m的爆破作業(yè)。因此從距陷落柱左側(cè)揭露邊緣10.56m處開始，沿工作面推進(jìn)方向以2.5m為間距在85m長的區(qū)域內(nèi)布置爆破深孔，孔深控制在5～36m之間，炮眼布設(shè)如圖9所示。為了保證安全，一次爆破總藥量均控制在200kg以內(nèi)，所有炮眼在裝藥方式上均為正向裝藥，各起爆雷管之間分批次串聯(lián)完成后接到發(fā)爆器上。具體爆破參數(shù)見表3。

表3 爆破參數(shù)表

3.2 填塞工藝

深孔爆破的填塞工藝不但關(guān)系到爆破效果的好壞也關(guān)系到爆破的安全。因此，需要根據(jù)深孔爆破的不同目的，對炮孔進(jìn)行針對性的填塞。本次實(shí)驗(yàn)所采用的封孔炮泥先由黃土與砂按3∶1的比例加水混合均勻后，然后再加工成?60mm長200mm的圓柱形。由式(1)計(jì)算得出，安全封孔長度為6m。

L≥nR/(2fλ)

(1)

式中，R為現(xiàn)場試驗(yàn)爆破孔半徑，取47mm；f為側(cè)壓系數(shù)，取0.3；λ為摩擦因數(shù)，取0.02；n為綜合影響系數(shù)，取最大值1.5。

經(jīng)計(jì)算得封孔長度L≥5.9m。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 爆破效果

深孔爆破均是在半無限體內(nèi)進(jìn)行大藥量的爆破作業(yè)，由于爆破區(qū)域沒有有效的補(bǔ)償空間，其炸藥爆炸所產(chǎn)生的大量爆炸能量和爆生氣體需要在爆破區(qū)域內(nèi)消耗，消耗速度除與爆破填塞有關(guān)外，還與爆破擴(kuò)裂巖石的裂隙擴(kuò)展速度和爆破區(qū)域內(nèi)原巖裂隙的發(fā)育程度有關(guān)。盡管X140陷落柱內(nèi)白砂巖較多，完整性好且較堅(jiān)硬，但這些白砂巖呈塊狀的較多，且膠結(jié)一般為泥質(zhì)膠結(jié)。所以在爆破過程中其能量耗散較快，為爆生氣體提供了較大的膨脹補(bǔ)償空間。

深孔預(yù)裂爆破結(jié)束后，對炮孔的爆破效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其中，除了5號(hào)孔由于炮泥充填質(zhì)量較差，爆破后炮泥被沖出，1—17號(hào)孔均未出現(xiàn)較大的沖孔現(xiàn)象；18—19號(hào)孔在爆破時(shí)出現(xiàn)了爆破漏斗拋擲現(xiàn)象，沖出了較多的巖石，分析原因主要是該區(qū)域內(nèi)巖性較好并且裝藥量較大而導(dǎo)致的；20—35號(hào)孔均既無封孔炮泥被沖出，也未發(fā)生爆破漏斗拋擲現(xiàn)象。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

1)3207工作面在通過X140陷落柱之前，先通過了一個(gè)與其巖性相近的X165陷落柱，并采取了潛孔爆破的措施。X165陷落柱累計(jì)推進(jìn)31.8m，截齒消耗396把，用時(shí)9d，截齒平均消耗12.45把/m，工作面平均推進(jìn)速度為3.53m/d。

2)3207工作面在X140陷落柱深孔爆破實(shí)施區(qū)累計(jì)推進(jìn)85m(指1#～35#炮眼布設(shè)區(qū)段)，消耗截齒270把，用時(shí)21d，截齒平均消耗3.18把/m，工作面平均推進(jìn)速度4.05m/d。

3)通過對比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)通過X140陷落柱爆破擴(kuò)裂區(qū)的截齒消耗量比X165陷落柱時(shí)降低了74.5%，工作面推進(jìn)速度提高了14.7%。

4 結(jié) 論

1)針對堅(jiān)硬陷落柱巖性而研制的新型PVC組合裝配式擴(kuò)裂彈體可以保證柔性乳化炸藥準(zhǔn)確送達(dá)炮眼指定位置，提高了各藥包間耦合程度。另外，鋁合金管裝藥器不僅方便安裝而且中空式的連接頭設(shè)計(jì)可以完成對深孔的吹孔和沖洗作業(yè)。

2)根據(jù)LS-DYNA模擬結(jié)果可知本次爆破選用的藥卷直徑為63mm，炮眼的間距確定為2.5m，封孔炮泥長度在1.5～6m之間，鉆孔深度控制在5～36m范圍內(nèi)，一次爆破總藥量不超過200kg。

3)現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)表明深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在新元煤礦3207綜采工作面過堅(jiān)硬陷落柱時(shí)取得較好的應(yīng)用效果。其中，爆破完成后92%的炮孔的爆害程度均在可控范圍之內(nèi)，并且使截齒消耗量降低了74.5%，工作面推進(jìn)速度提高了14.7%。