池津維

（中煤科工能源科技發(fā)展有限公司，北京 100013）

1 工程概況

新元煤礦主要開采3#煤，煤層平均厚度2.05 m，整體賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，屬中灰、低硫的優(yōu)質(zhì)貧瘦煤，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層中含1～2層泥質(zhì)夾矸，厚度一般為0.02～0.10 m。煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

3405工作面處于一水平4采區(qū)，工作面標(biāo)高612.8～717.4 m，埋藏深度366.0～438.7 m。工作面走向長240 m，傾斜長1825 m。工作面北部為礦界；南鄰西回風(fēng)大巷（北）、西輔運大巷、西膠帶大巷；西部未布置巷道；東部為3406掘進(jìn)工作面。3405工作面在推進(jìn)過程中遭遇了巖性為粉砂巖的YX3陷落柱，其堅硬程度較高且侵入工作面的范圍較大。根據(jù)現(xiàn)場實測，YX3陷落柱侵入工作面的寬度為37.5 m，沿推進(jìn)方向的長度達(dá)到了99 m，對工作面的正?；夭捎绊戄^大。因此，設(shè)計采取深孔預(yù)裂爆破技術(shù)保證工作面安全通過陷落柱[1-4]。

2 擴(kuò)裂彈體與裝藥器的設(shè)計

深孔預(yù)裂爆破取得良好效果的關(guān)鍵，在于炸藥包能否順利送入孔內(nèi)起爆的指定位置。煤礦爆破普遍采用的乳化炸藥柔性較大，不易順利送入孔內(nèi)。由于3405工作面YX3陷落柱內(nèi)多為粉砂巖，硬度較高，因此鉆孔成形較差，孔內(nèi)不平直。另外，在鉆孔形成后，孔內(nèi)的巖粉也較難清洗。以上的問題導(dǎo)致了裝藥包的過程中易發(fā)生藥包破損或堵塞，導(dǎo)致鉆孔裝藥不連續(xù)，進(jìn)而影響了爆破效果。因此，設(shè)計了擴(kuò)裂彈體與新型裝藥器，以保證裝藥質(zhì)量。

2.1 PVC管組合式擴(kuò)裂彈體

該擴(kuò)裂彈體由PVC管組合裝配形成，管壁厚為1.6 mm，外徑為60 mm，可裝1000 mm長、3.10 kg重的炸藥，結(jié)構(gòu)如圖1。為了使彈體順利推入孔內(nèi)，將彈體的最前端做成光滑的錐形結(jié)構(gòu)。各擴(kuò)裂彈體之間均采用絲口連接，出現(xiàn)堵孔時可以承受推拉，并且可以保證藥包之間的爆炸連續(xù)性，防止出現(xiàn)藥包失爆現(xiàn)象。另外，PVC材料的阻燃性和密閉性較好，可以保證炸藥在井下潮濕、高瓦斯的環(huán)境下保持穩(wěn)定性，可以滿足井下深孔爆破作業(yè)的需求。

2.2 裝藥器的設(shè)計

由于爆破孔的長度較大，采用的裝藥結(jié)構(gòu)應(yīng)具有強(qiáng)度和剛度大、重量較輕的特點?；诖?，設(shè)計了新型裝藥器，如圖2。該裝藥器為鋁合金制成管狀結(jié)構(gòu)，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到了249 MPa，每根裝藥管長度為2 m，壁厚3 mm，外徑38 mm，可以將藥包順利送入孔內(nèi)的指定位置。另外，各裝藥管的連接處均為中空設(shè)計，便于在裝藥前對孔內(nèi)進(jìn)行清洗。

3 深孔預(yù)裂爆破工藝

3.1 爆破參數(shù)確定

根據(jù)3405工作面的工程地質(zhì)條件，利用LSDYNA顯示動力分析程序模擬分析不同直徑藥包下的爆破擴(kuò)散半徑。陷落柱內(nèi)粉砂巖的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 粉砂巖物理力學(xué)參數(shù)

不同直徑藥包爆破后的裂縫擴(kuò)散形態(tài)如圖1。藥包爆炸后形成的沖擊波接觸到孔壁后，轉(zhuǎn)化為呈同心圓形態(tài)的應(yīng)力波在巖體內(nèi)向外傳播。隨著傳播距離的增大，巖石破壞所吸收的能量增加，應(yīng)力波也逐漸衰減。通過模擬結(jié)果可知，爆破后裂隙的擴(kuò)散半徑約為藥包半徑的30倍，且裂紋的發(fā)育程度有利于采煤機(jī)組的順利通過。

圖1 不同藥卷半徑下的裂隙擴(kuò)展形態(tài)

在模型的巖體內(nèi)，距爆破孔中心50 cm處每隔50 cm布置一個應(yīng)力測點，共布置4個，分別記為A、B、C、D四個點，如圖2。

圖2 應(yīng)力測點位置

將4個測點的應(yīng)力值隨時間的變化繪制成曲線，如圖3。由結(jié)果可知，隨著距炮孔中心距離的增加，測點的應(yīng)力峰值逐漸減小。炮孔周圍巖體的受力特性表現(xiàn)為先壓后拉，且壓應(yīng)力峰值的絕對值要遠(yuǎn)高于拉應(yīng)力峰值的絕對值。

圖3 測點應(yīng)力—時間變化曲線

六種藥包直徑下的裂隙最大擴(kuò)展半徑見表3。將表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合，得出的回歸方程R2達(dá)到了0.994，如圖4。根據(jù)線性回歸方程可以預(yù)測出，當(dāng)藥卷直徑為62 mm時，爆破后的裂隙擴(kuò)展直徑可達(dá)2011 mm，3405工作面為2.7 m，根據(jù)以往工程經(jīng)驗可知，直徑62 mm的藥包可以滿足采煤機(jī)正常通過陷落區(qū)，鉆孔均布置在工作面采高的中間位置。

表3 裝藥半徑與裂隙半徑統(tǒng)計

圖4 裝藥半徑與裂隙擴(kuò)展半徑線性擬合

爆破炮眼在3405輔運巷主幫上沿工作面推進(jìn)方向布置，起始炮眼距工作面10.56 m，炮眼間距為2.5 m，共計布置長度為85 m，炮孔深度控制在6～35 m之間。炮眼布置如圖5。

圖5 炮眼布置圖（m）

為了保證工作面安全，所有炮眼均為正向裝藥，單次爆破總藥量不超過180 kg，各起爆雷管采用毫秒微差起爆方式連接，分批次爆破。具體爆破參數(shù)見表4。

表4 深孔爆破具體參數(shù)表

3.2 炮眼填塞工藝

深孔爆破能否在確保安全的前提下達(dá)到預(yù)期效果與填塞工藝的好壞也有直接關(guān)系。根據(jù)陷落柱的巖性及炮孔參數(shù)，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗，采用的封孔炮泥中，黃土與砂的比例應(yīng)為3:1，封孔炮泥為圓柱形，高度為150 mm，直徑為62 mm。封孔長度L可由下式計算得出：

L≥cR/2λμ

式中：R為爆破孔半徑，取30 mm；c為綜合影響因素，取1.5；λ為側(cè)壓系數(shù)，取0.2；μ為摩擦因數(shù)，取0.02。

經(jīng)計算得出封孔長度L≥5.6 m，為安全起見，封孔長度取為6 m。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

在現(xiàn)場進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破后，對爆破效果進(jìn)行了統(tǒng)計，所有爆破均未出現(xiàn)失爆或沖孔現(xiàn)象。在3405工作面通過YX3陷落柱之前，先通過了巖性同為粉砂巖的X205陷落柱，由于未采取深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，采煤機(jī)在X205陷落柱累計推進(jìn)30.6 m，損耗截齒401把，平均每推進(jìn)1 m，截齒消耗13.10把，工作面平均推進(jìn)速度為3.81 m/d。在工作面YX3陷落柱區(qū)域?qū)嵤┝松羁最A(yù)裂爆破技術(shù)后，累計推進(jìn)85 m，截齒共損耗264把，平均每推進(jìn)1 m，截齒消耗3.11把，工作面平均推進(jìn)速度為5.02 m/d，截齒平均消耗量降低了76.3%，工作面推進(jìn)速度提升了24.1%。

5 結(jié)論

（1）針對陷落柱內(nèi)為高硬度巖體，設(shè)計了PVC管組合的新型擴(kuò)裂單體，可以將藥包順利送入指定深度，并配合鋁合金管裝藥器保證了藥的連續(xù)性。

（2）利用LS-DYNA軟件模擬了爆破裂隙擴(kuò)展半徑與藥包半徑間的關(guān)系，得出藥包直徑62 mm時可以滿足需求，并確定出封孔長度為6 m，炮孔間距為2.5 m。根據(jù)現(xiàn)場實際情況制定了各炮孔的具體爆破參數(shù)。

（3）現(xiàn)場試驗表明，采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)后，工作面通過陷落柱時，截齒的平均消耗量降低了76.3%，工作面的推進(jìn)速度提升了24.1%，取得較好的應(yīng)用效果。