牛剛強(qiáng)

（山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣億欣煤業(yè)，山西 晉城 048200）

1 工程概況

億欣煤業(yè)位于晉城市沁水縣龍港鎮(zhèn)堯都村，主采15#煤層為無(wú)煙煤，煤層厚度為2.58～3.6 m，平均厚度2.82 m，煤層中含1～2層夾石，全區(qū)穩(wěn)定可采，煤層傾角為2°～10°，平均4°。15#煤層直接頂為K2石灰?guī)r，厚度平均7.8 m；老頂為泥巖，厚度平均1.9 m；直接底為泥巖，厚度平均1.2 m；老底為砂質(zhì)泥巖，厚度平均5.5 m。

2 提高塊煤率技術(shù)方案設(shè)計(jì)

億欣煤業(yè)15#煤層為價(jià)值較高的無(wú)煙煤，提高塊煤率[1-4]可大幅提升礦井的經(jīng)濟(jì)效益。以現(xiàn)有研究成果，綜合考慮億欣煤業(yè)煤層賦存條件，共提出兩種方案用于提高工作面塊煤率。方案一：采用淺孔爆破的方式對(duì)工作面煤壁進(jìn)行弱化爆破；方案二：采用深孔爆破的方式對(duì)超前工作面進(jìn)行爆破弱化。

2.1 工作面煤壁爆破弱化方案設(shè)計(jì)

（1）炮眼直徑及深度

根據(jù)煤體松動(dòng)爆破理論，爆破孔深度一般為采煤機(jī)截割深度的3～4倍。綜合考慮億欣煤業(yè)井下放炮爆破效果，工作面煤壁爆破孔深度設(shè)計(jì)為2.6 m，半徑取21 mm，采用不耦合裝藥的方式進(jìn)行松動(dòng)爆破。

（2）炮眼布置間距

淺孔爆破后煤體裂隙區(qū)半徑可由下式計(jì)算：

式中：μD為煤體泊松比，0.36；ρs為炸藥包密度，1020 kg/m3，D為炸藥包爆速，3260 m/s；rc為炸藥包半徑，16 mm；rb為爆破孔半徑，21 mm；n為炸藥包爆破時(shí)壓力速增系數(shù)，10；σt為煤體抗拉強(qiáng)度，4.5 MPa。

計(jì)算可得RP=1175 mm。根據(jù)爆破孔間距設(shè)計(jì)原則，應(yīng)小于相鄰爆破孔爆破后形成的裂隙區(qū)范圍，因此炮眼間距設(shè)計(jì)為1.0～1.5 m?？紤]到億欣煤業(yè)15#煤層厚度較大，平均厚度為2.82 m，為保證爆破效果，設(shè)計(jì)布置兩排炮孔。

（3）炮孔布置方式

參考相鄰工作面煤體爆破效果，發(fā)現(xiàn)將爆破孔布置為矩形時(shí)爆破效果較好，更利于提升煤炭塊煤率。如圖1所示，在試驗(yàn)工作面XV2301工作面端頭煤壁處布置兩排爆破孔，上排炮孔布置在距離頂板0.8～1.0 m位置，與水平面夾角呈3°～5°俯角打孔，下排炮孔布置在距離底板巖層1.0～1.5 m位置，與水平面夾角呈3°～5°仰角打孔，水平傾斜75°，兩排炮孔間距約為1.0～1.2 m，炮孔深度設(shè)計(jì)為2.6 m。

圖1 炮眼布置示意圖（m）

（4）爆破方式

為保證塊煤率，提升松動(dòng)爆破效果，設(shè)計(jì)采用分段微差爆破，分段間距設(shè)計(jì)為6～10 m。這樣可以降低炸藥包爆破時(shí)沖擊波對(duì)煤體的沖擊強(qiáng)度，降低煤體的拋擲距離，而且爆破后兩排炮孔的爆轟波可以形成疊加效果，從而提升爆破效果，減少炸藥的使用量，實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 超前工作面爆破方案設(shè)計(jì)

（1）爆破孔深度

億欣煤業(yè)XV2301工作面傾向長(zhǎng)度為150 m，如果將超前爆破孔布置在回采巷道，則爆破孔深度為110 m，不僅施工工程量大，且施工難度較高，不易保證爆破效果。如果在工作面中部布置一條專(zhuān)用巷道，然后向?qū)Ｓ孟锏纼蓚?cè)布置爆破孔，則爆破孔深度為55 m。綜合考慮施工的難易程度及爆破效果，設(shè)計(jì)在工作面中間位置布置一條專(zhuān)用巷道，然后在巷道兩邊布置55 m的爆破鉆孔。

（2）爆破孔間距

當(dāng)采用深孔爆破時(shí)，爆破孔裂隙區(qū)半徑可由下式計(jì)算：

式中：B為修正系數(shù)，3.85；σR為分界面徑向應(yīng)力，4.5 MPa；k為裝藥的不耦合系數(shù)，1.562 5；γ為炸藥包爆破后的膨脹絕熱系數(shù)，3；le為裝藥軸向系數(shù)，0.047；σc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，4.5 MPa。

計(jì)算可得RP'=4175 mm。根據(jù)爆破孔間距設(shè)計(jì)原則，應(yīng)小于相鄰爆破孔爆破后形成的裂隙區(qū)范圍，因此炮眼間距設(shè)計(jì)為4～6 m。

（3）爆破孔布置

億欣煤業(yè)現(xiàn)有礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，回采15#煤層的工作面，超前支承壓力峰值基本處于工作面前方5～10 m范圍內(nèi)，工作面前方35 m范圍基本都受超前支承壓力的影響。因此，應(yīng)在試驗(yàn)工作面XV2301工作面前方40 m位置布置超前弱化爆破孔，利用電雷管和安全導(dǎo)爆索進(jìn)行超前弱化爆破，爆破方式采用正向起爆。為了避免超前弱化爆破損壞回采巷道圍巖，爆破孔的終孔位置應(yīng)與回采巷道間留設(shè)不小于15 m的間距。

工作面超前弱化爆破孔布置方式如圖2，在工作面中間位置布置一條專(zhuān)用巷道，通過(guò)專(zhuān)用巷向兩側(cè)施工爆破孔，爆破孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為55 m，采用三花眼方式進(jìn)行布置，爆破孔列間距設(shè)計(jì)為4～6 m，排間距設(shè)計(jì)為1.5～2.0 m，具體數(shù)值可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及施工難度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。共布置兩排爆破孔，上部爆破孔布置在距工作面頂板1.0 m位置，為垂直煤壁施工，下部爆破孔布置在距工作面底板0.8 m位置，水平方向煤壁傾斜75°。

圖2 超前工作面弱化爆破孔布置示意圖（m）

3 工業(yè)性試驗(yàn)

選取XV2301工作面及XV2303工作面為試驗(yàn)工作面，對(duì)兩種方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，采煤機(jī)割煤時(shí)，在工作面兩端及中部分別隨機(jī)取10個(gè)煤樣，為保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，在工作面回采過(guò)程中，共取樣6次，即在工作面兩端及中部各取60個(gè)煤樣，共取樣180個(gè)。兩種試驗(yàn)方案井下塊煤率分別見(jiàn)表1和表2。

表1 試驗(yàn)方案一塊煤率

表2 試驗(yàn)方案二塊煤率

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，在回采15#煤層時(shí)，如不采取任何措施，則平均塊煤率約為17.6%，采取方案一時(shí)，塊煤率為22.8%，塊煤率提升了5.2%，采取方案二時(shí)，塊煤率為25.7%，塊煤率提升了8.1%。單純從塊煤率角度考慮，方案二更合適，但是考慮到方案二不僅需要提前掘進(jìn)一條專(zhuān)用巷道，而且采用的是深孔爆破方式，炮孔深度達(dá)到了55 m，即增大了巷道掘進(jìn)工程量，還增大了炮孔工程量和炸藥用量。與之相比，方案一采用的是淺孔爆破，炮孔深度僅為2.6 m，而且并未增加巷道掘進(jìn)量，炮孔工程量及炸藥消耗量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方案二，雖然塊煤率比方案二塊煤率低了2.9%，但是綜合考慮施工量及成本投入，還是選擇方案一為最佳方案。

4 結(jié)論

本文以?xún)|欣煤業(yè)為工程背景，針對(duì)億欣煤業(yè)主采15#煤層為價(jià)值較高的無(wú)煙煤，提高塊煤率可大幅提升礦井的經(jīng)濟(jì)效益。提出兩種試驗(yàn)方案分別在XV2301工作面及XV2303工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，方案一為采用淺孔爆破的方式對(duì)工作面煤壁進(jìn)行弱化爆破，方案二為采用深孔爆破的方式對(duì)超前工作面進(jìn)行爆破弱化。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，與正常回采相比，實(shí)施方案一塊煤率可提升5.2%，實(shí)施方案二塊煤率可提升8.1%。綜合考慮施工工程量、爆破孔工程量及炸藥消耗量等，方案二在多掘進(jìn)一條專(zhuān)用巷，并大大增加爆破孔工程量和炸藥消耗量的前提下，僅比方案一塊煤率提升2.9%，效果并不顯著，因此確定試驗(yàn)方案一為最優(yōu)方案。