新型封堵工艺在炮采工作面的应用探究

王宝银 贾峰

【摘 要】本文在理论分析和试验研究的基础上，选取某矿区高瓦斯煤矿炮采工作面，进行新型封堵工艺的探讨。本次试验表明，该新型封堵工艺一方面能够降低煤尘浓度，另一方面在炮眼封堵上达到较为理想的效果。通过新型封堵工艺的应用，促进了采煤工作面爆破过程中煤尘浓度的有效降低，也有助于炮采工作面生产安全性的提升。

【关键词】新型封堵工艺；炮采工作面；应用探究；降尘效果

目前，我国社会经济不断发展，对于煤炭资源仍有着较大的需求。在煤炭行业快速发展的形势下，不仅要提高优质煤炭的产量，更要在此基础上保障生产过程的安全性，从而提升煤炭企业的综合竞争力。而在炮采工作面施工过程中，爆破落煤是非常重要的一道工序。因为炸药爆炸可以形成高温高压气体和高强度应力波，不仅能破碎媒体，而且在炸药附近的部位造成过度破碎，并产生大量的煤尘。在煤尘颗粒直径处于0.1到1.0μm的情况下，可以在空气中长期悬浮，并缓慢沉降。

在颗粒直径处于0.5到10μm时，一方面会对人体肺部形成严重的危害，另一方面煤尘本身具有爆炸性。同时，由于采煤工作面处在通风状态中，虽然能够稀释排出一部分，同时也使悬浮煤尘时间加长和浓度增加，造成煤尘危险性和危害性的提高。对此，必须对采煤工作面爆破过程中的煤尘浓度予以控制，从而对煤矿工作人员的身体健康提供保障，并促进生产安全性的提升。

本文選取某矿区高瓦斯煤矿一急倾斜炮采工作面的实践，该炮采工作面存在压缩性较小的水，并具有传压效果较好的特点，在此基础上对新型水袋封堵工艺进行了探讨。本次试验表明，该新型封堵工艺一方面能够降低煤尘浓度，另一方面在堵堵上具有较为理想的效果。通过新型封堵工艺的应用，促进了采煤工作面爆破过程中煤尘浓度的有效降低，同时有效的降低了由于煤尘所带来的一系列安全隐患。

一、水封水压爆破作用理论分析

在煤矿开采中，炮眼封堵通常选用黄泥，而在水封水压爆破中，则选用水袋来替换黄泥封堵。炮眼应用水封水压来爆破过程中，水会在高温、高压爆生气体以及高应力的共同作用下产生水雾，而水雾能够与尘粒充分作用，并经过碰撞、阻拦、分散以及凝聚等形式来实现降尘的效果。一般情况下，存在两种降尘的方法，一种是增加粉尘的密度，另一种则是增大粉尘的粒度。尘粒在吸收后会明显增加自身的密度，从而促进了沉降，同时吸水也有助于粉尘凝聚，并增加其粒度，进而实现快速沉降粉尘的目的。依据斯托克斯的沉降公式，任意两个小尘粒发生凝聚，都会导致其沉降速度提高3倍。

在上式中，pp可沉降颗粒，Pg表示空气的密度；dp表示沉降颗粒的直径，μ则表示空气黏滞度。

当炮孔选用水封爆破的情况下，一方面水可以发挥堵塞的效果，而另一方面，炸药的爆炸能够促进水进一步雾化或者扩散，在此基础上，水与粉尘的接触面积得到明显增大。同时，雾滴可以对尘粒产生碰撞、阻拦、分散以及凝聚等作用，之后形成的液态的雾滴以及固态的尘粒凝结成为相对较大的微粒，从而实现快速沉降的效果。借助于水介质耦合微差爆破，可以减轻炮轰波对煤体形成的直接作用，并减少了煤体粉碎的区域，促使爆破点周围煤体不会过度粉碎，从而有助于块煤率的提高。该作用原理具体表现为以下两个方面：

（1）通过水为介质来传递炸药能量。由于水作为一种液体，存在较小的压缩性，能够将应力有效传递，并促进炸药能量利用率的提高。这就等同于延长了药柱长度，促进其在煤体上爆破范围的扩大，因此对单位煤体上的爆炸压力作用起到了降低效果。同时，水也是一种高热容物质，可以对炸药的爆炸温度予以降低，并且对瓦斯煤尘爆炸起到了抑制作用。此外，水袋发挥着“水楔”作用，爆炸气体能够把水挤到煤体裂隙中，促使爆炸气体在煤体上的作用，从而扩大了裂隙宽度和长度，并有助于煤体破碎的块度相对平整均匀。

（2）借助于水耦合装药结构，对爆破作用在煤体上的时间起到了延长效果，进而产生了缓冲作用。在煤体与岩体两介质面上，爆破压力形成了多次反射，这对作用在煤体上的时间予以延长，对爆炸压力形成了减弱，并促进了煤体破碎程度的减轻，从而有助于块煤含量的增加。

二、新型封堵工艺试验

选取某矿区下的炮采工作面进行试验研究。该工作面的煤层主要为半暗型煤层，而且表现出鳞片以及粉末的状态，基本顶主要为细砂岩，性质较硬，厚度在4m左右。直接顶主要为砂质粘土岩，厚度在4.5m左右，砂泥质结构，容易发生冒落。直接底主要为黏土岩，厚度在1.8m左右，整体性质较软，容易破碎。在试验炮眼的封堵材料上，主要选用了自行设计完成的封堵水袋，该封堵水袋长度在1.1m左右，直径在50—55m，封堵水袋的直径超过炮眼直径，对于采煤工作面，爆破参数为以下几个方面：炮眼间距在0.6—1.0m之间，顶底眼装药量都是1卷，每一卷药的直径为35mm，长度为330mm，重量为330g，并选用3级煤矿水胶炸药。如图1所示，为水封装药结构示意图。

图1水封装药结构示意图

在本次试验中，主要对应用新型封堵工艺后的瓦斯煤尘浓度变化和爆破效果进行了考察。对于应用新型封堵工艺的试验工作面，测量其工艺应用前后的瓦斯煤尘浓度等数据，如表1所示。

表1某矿区试验工作面瓦斯测试数据

序号 堵塞方式 放炮眼数（个） 放炮长度（m） 瓦斯浓度（%） 煤尘浓度（mg·m-3）

炮前 炮后 炮前 炮后

1 原方式 45 18 0.12 0.28 5.02 32.6

2 原方式 31 12 0.21 0.48 4.00 24.6

3 原方式 34 13 0.13 0.31 6.00 39.0

4 新方式 41 15 0.19 0.49 4.20 16.0

5 新方式 35 12 0.25 0.46 3.80 12.6

6 新方式 36 12 0.32 0.35 3.40 13.2

备注：炸药选用3级煤矿水胶炸药，在顶眼和底眼各放1卷，每卷400g，测试点的工作面大约为30m。

三、试验结果分析

根据本次爆破效果，相对于原封堵方式，新型封堵方法的应用可以取得大致相当的效果，这表明新型封堵方法可以取得理想的封堵效果。同时，运用新型封堵工艺能够节省黄泥和水炮泥的使用，从而在一定程度上节约了炮眼的封堵成本。结合表1中的数据，发现新型封堵工艺的应用不会对瓦斯浓度形成较大的影响，但是对煤尘起到了显著的作用，如序号6的新方式，其放炮眼数和放炮长度与序号3的原方式相当。新方式6的炮前瓦斯浓度为0.32，炮后为0.35，变化相对较小。但是在煤尘浓度上，炮前为3.40，炮后为13.2，而在原方式3上，炮前为6.00，炮后则为39.0。这说明，当爆破长度和爆破眼数等条件大致相同的前提下，新型封堵工艺可以降低超过50%的煤尘浓度。这说明，新型封堵工艺的应用能够取得显著的降尘效果。

结束语

综上所述，在本次新型封堵工艺在炮采工作面的应用探究中，本文首先对水封水压爆破作用进行了理论分析，在此基础上开展了新型封堵工艺试验，最后得出了相应的试验结果。本次试验表明，该新型封堵工艺一方面能够降低煤尘浓度，另一方面在封堵实验上达到较为理想的效果，并在矿区得到大面积推广。通过新型封堵工艺的应用，促进了采煤工作面爆破过程中煤尘浓度的有效降低，也有助于炮采工作面生产安全性的提升。

参考文献：

[1]金龙哲，刘结友，于猛.高效水炮泥的降尘机理及应用研究[J].北京科技大学学报，2011，29（11） ： 1079-1082.

[2]金龙哲，于猛，刘结友，等. 新型水炮泥爆破降尘的试验研究[J].煤炭学报，2011，32（3） ： 253-257.

[3]郭永利.浅析水炮泥在爆破作业中的应用[J].科技情报开发与经济，2011，16（11） ： 280-281.

作者简介：

王宝银，男1975年5月生，2007年毕业于山东科技大学采矿工程，助理工程师，在煤矿一直从事采煤技术管理工作。