多排孔微差松动挤压爆破陷落柱技术研究

刘维信，王劲翔，王其杰，孟庆新，平立芬，王士礼

(1.山东东山王楼煤矿有限公司，山东 济宁 272063；2.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590)

针对断层或陷落柱构造阻碍综采工作面正常推采问题，国内外学者做了大量研究。马立强等[1]在考虑断层落差、工作面开采条件及支架稳定性的基础上，提出了预掘巷道群快速过断层技术；韩磊等[2]利用深孔预裂爆破技术弱化坚硬陷落柱的强度和完整性；黄文尧、王红浩等[3-5]优化了爆破参数，改变炸药性能，并结合数值模拟，开展了硬岩断层深孔爆破技术试验；郭守泉等[6]采用在工作面以浅孔爆破和采煤机破岩相结合的方式推进。

王楼煤矿27305综采工作面是七采区第四个工作面，走向长度861.8m，倾斜长度172m，煤层厚度2.9～4.9m，属于厚煤层，煤层倾角6°～14°，平均10°。工作面回采至183m，在采区中部揭露落差约3m、长度约50m的陷落柱，岩性为灰白色细砂岩，中层节理，岩石坚硬系数f=6。对于该坚硬陷落柱构造，采煤机切割困难，截齿消耗严重，推进速度缓慢，严重影响工作面正常推采。

在前人研究的基础上，以王楼煤矿27305综采工作面为背景，期望提出合理、高效的爆破技术方案，实现工作面推采无需或少切割岩石，达到节约截齿、提高推采效率的目的。

1 爆破技术方案的提出

王楼煤矿所遇陷落柱落差3m，预掘巷道群影响正常推采，且会大量增加巷道掘进及维护费用；陷落柱位于采区中部，在回采巷道中采用深孔预裂爆破技术，钻孔过深精度难以控制；在工作面采用浅孔爆破效率低，且爆破循环进尺小，爆破飞石不易控制。

传统技术对于王楼煤矿27305综采工作面过陷落柱有诸多弊端，基于岩石爆破理论，结合工程地质概况，提出了多排孔微差松动挤压爆破陷落柱技术方案，合理选取了孔深、炮孔间距、装药量、钻孔角度等爆破参数，设计了钻孔、装药封堵、起爆、爆破防护等施工工艺。

2 爆破方案设计影响因素分析

爆破方案采用多排孔微差松动挤压爆破技术，在设计中具有布孔方式、爆破参数和起爆方式3个关键的影响因素。

2.1 布孔方式

对于爆破法过断层或陷落柱，炮孔的布置方式直接关系着工作面推进的效率。多排孔微差松动挤压爆破技术采用“大孔距、小排距”的布孔方式。增大孔距，减慢了相邻炮孔间连心线上的应力叠加速度，使得炮孔周围各点应力达到岩石抗拉强度的时间大致相同，进而使得裂隙均匀分布；同时，增大孔距可将由应力波干涉作用形成的应力减弱区移出爆破作用区外。多排孔微差松动挤压爆破时，最小抵抗线为炮孔到前排炮孔产生的临空面的距离，方向朝向煤体或者岩层破碎带，如图1所示。减小排距，即减小抵抗线，使得爆破漏斗的破裂角增大，增加了对岩石的破碎作用；同时，减小排距使得爆破漏斗半径大于标准爆破漏斗半径，增大了后排炮孔的临空面面积，炮孔夹制减少[7-9]。对于首爆掏槽区域，只有临空面一个自由面，需要单独设计。

图1 抵抗线位置

2.2 爆破参数

爆破参数包括：孔深、炮孔间距、钻孔角度、装药量等，其参数的不同取值直接影响着最后的爆破效果。炮孔的深度决定着爆破进尺的大小；考虑现场施工条件，甄选合适的爆破进尺，能有效提高工作面推进效率。炮孔间距直接影响爆破后的裂隙分布密度，选取合理的炮孔间距使得各个炮孔的裂隙区半径相交，整个工作面裂隙均匀分布，有效提高破碎效果。钻孔角度对爆破抛掷作用的大小，矸石抛掷的方向有着很大影响；多排孔微差松动挤压爆破技术采用倾斜钻孔增大了爆破的抛掷作用，调整了矸石的抛掷方向，使得后排炮孔爆破推动前排爆堆，提高了爆破能量利用率，改善了矸石的破碎质量，同时减轻了爆破飞石的危害。装药量代表着爆炸威力，直接影响最后的爆破效果；每个炮孔内装药量需满足炮孔周边岩层破碎所要求的爆炸威力。

2.3 起爆方式

起爆方式包括：炮孔是否分段起爆，以及起爆顺序等。起爆方式的差异影响着爆破效果，以及爆破产生的矸石量。多排孔微差松动挤压爆破技术采用分区域分组起爆方式。分区域起爆为相邻若干排炮孔为同一起爆区域，前一起爆区域炮孔爆破后创造新的自由面和补偿空间，利于后一起爆区域炮孔爆破。其中，紧邻煤层或岩层破碎带的岩层受岩石夹制作用较小，容易掏槽，作为第一起爆区域。同一区域设置由下向上起爆，创造补偿空间使整个区域分层拉开，下层区域爆破后，上层区域在重力作用加持下更加容易破碎抛矸。

综上分析，爆破方案设计的各项影响因素关乎最后的爆破效果以及工作面推进效率。因此，在爆破设计过程中要充分考虑各项影响因素，合理设计各项爆破参数，细化方案，以保证达到预期的爆破效果。

3 爆破方案参数设计

3.1 炮孔深度

每循环爆破进尺与炮孔垂直深度有关，同时为方便工作面推进，每循坏爆破进尺应与综采工作面割煤机每循环正常推进进尺相等，或为其整倍数。

式中，h为炮孔垂直深度，m；L为割煤机正常推进进尺，m；η为炮孔利用率；n为循环数，一般1≤n≤3。

现场采用“三八工作制”，两班生产，一班检修，割煤机每循环进尺为0.8m，每天3个循环，日进尺2.4m。因此，设计利用检修班进行爆破，炮孔垂直深度h为2.6m。

3.2 炮孔间距

松动爆破主要利用各个炮孔爆破后形成的裂隙区，使其相互叠加贯穿，最终达到整个岩层破碎的效果[10-14]。通过计算爆破后的裂隙区半径选用合适的炮孔的间距，以充分利用爆破后的应力波作用。

其中，作用在孔壁上的初始冲击力为：

式中，ρ0为炸药的密度，kg/m3；D为炸药的爆速，m/s；de、db分别为炸药和炮眼的直径，m；m为孔壁压力增大因素，取8。

炮孔孔距a应满足a≤2R，排距b约为0.5～0.8a。

利用岩石和炸药参数计算裂隙区半径R取0.48m，具体参数见表1。因此，结合工程实际设计孔距a为0.95m，排距b为0.6m，炮孔正面布置如图2所示。首次爆破形成良好的补偿空间是保证后续爆破成功的前提，因此，首爆掏槽区域炮孔数目应加倍布置，首爆掏槽孔布置如图3所示。

表1 计算参数表

图2 炮孔正面布置图(mm)

图3 首爆掏槽孔布置图(mm)

3.3 炮孔角度

炮孔角度θ需要合理，既要保证后排炮孔爆破推动前排爆堆，创造新的自由面与岩石碎胀空间，又要避免产生过大的飞石抛掷，对支架等设备造成损害，其取值一般为55°～85°[15，16]。

结合相关工程经验，方案中设计普通爆破炮孔向下倾斜10°，与采区岩石作业面中线平行向下与临空面夹角成80°角，首爆区域需加强抛掷作用，炮孔与临空面所成角度应较其他炮孔减小5°～15°，其中越靠近首排炮孔角度越小，炮孔剖面布置如图4所示。

图4 炮孔剖面布置图(mm)

3.4 装药量

每个炮孔装量与其所预期爆破的岩石体积有关：

Q=qabh

(4)

式中，q为单位炸药消耗量，kg/m3；a为炮孔间距，m；b为炮孔排距，m；h为炮孔垂直深度，m。

断层岩性主要为细砂岩，岩石坚硬系数为6，炸药单耗约为0.8～0.9kg/m3。因此，设计2.6m深炮孔每孔装药量为1.2kg。

爆破方案具体爆破参数见表2。整个爆破区域较长，地质条件复杂多变，爆破施工时根据实际条件与前期爆破效果对爆破参数进行调整。

表2 爆破参数汇总表

4 爆破试验

爆破方案中钻孔角度取值参考于工程经验，为验证该钻孔角度于本工程是否取得较好爆破效果，设计不同钻孔角度的现场爆破试验。

4.1 试验方案

共进行4组爆破试验，每组试验分3个起爆区域，首爆区域钻孔角度相同，其他起爆区域钻孔角度分别为90°、80°和70°。所有炮孔孔深2.6m，孔径32mm，孔距0.95m，排距0.6m。装药采用正向装药，每孔装药量为1.2kg，装药长度1.6m。封堵采用炮泥和水炮泥间隔封堵，先封入0.25m炮泥，再封入0.5m水炮泥，剩余长度用炮泥封满。

4.2 试验结果

采用垂直钻孔爆破时，爆破后留有残眼，爆破进尺约为2.1m左右，炮眼利用率低，爆破后存在较多40cm左右的大块矸石，爆破效果较差。

采用80°钻孔爆破时，爆破进尺约为2.4m左右，达到预期爆破进尺要求，爆破后矸石直径小于30cm，大块率低；岩石性质主要为砂岩，碎胀系数约为1.4，不考虑抛掷作用矸石堆距临空面理论最远距离约为0.96m，实际爆破后矸石堆距临空面最远距离为1.08m左右，抛掷作用较小，爆破效果较好。

采用70°钻孔爆破时，爆破进尺约为2.4m左右，达到预期爆破进尺要求，爆破后矸石直径小于30cm，大块率低，爆破后矸石堆距临空面最远距离为1.42m左右，抛掷作用较大，多处防护网被爆破飞石击穿，存在较大安全隐患；由于倾斜钻孔，钻孔角度为70°的炮孔实际长度大于80°炮孔，爆破效果较之80°炮孔却较差。

因此，钻孔角度为80°时较为合理。具体试验结果见表3。

表3 爆破试验结果表

5 爆破施工工艺

5.1 钻孔工艺

为保证爆破质量，炮孔施工过程必须满足，定位准、角度精、推进稳、炮孔齐四项要求；若存在工作面综采设备安装与钻孔平行作业的情况，必须协调好安装、拖运及维护各个工序之间的有序衔接，确保交叉平行作业施工的安全；钻孔施工完毕后，应由组织专人验收(如利用多节导孔管尝试探孔)，对不符合要求的钻孔应进行补钻或择点另行钻孔；每一钻孔完工后，须进行探孔，发现炮孔内岩渣，插入高压风管冲洗，并立即装药，防止在采动压力作用下发生塌孔现象。

5.2 装药封堵工艺

装药采用正向不耦合装药，选用炸药为煤矿二级乳化炸药，规格：直径27mm，长度200mm，质量150g/个。

为保证稳定的起爆和传爆，相邻药卷利用包扎胶带连接；最后一节药卷作为炮头，制作炮头时，顺着药卷顶部中心插入电雷管，并用防水胶带缠密实，电雷管爆破方向朝向孔底；装药完成后，使用炮棍顶住药卷并推入炮孔中后，引出雷管脚线。

封堵采用炮泥与水泡泥交叉间隔封堵，先按爆破方案封堵设计长度的炮泥，用木棍捣实，再封堵设计长度的水炮泥，最后剩余长度用炮泥封满。装药封堵结构如图5所示。

图5 装药封堵结构

5.3 起爆顺序

对爆破区域分区分组，紧邻煤层或岩层破碎带的炮孔为首爆掏槽区域，其余每4排炮孔为一组起爆区域。起爆顺序为从首爆掏槽区域递推，每一组起爆区域增加一段雷管，共5段雷管，依次顺序起爆，每次爆破5组起爆区域。

5.4 爆破防护工艺

每次进行爆破作业对所爆破区段进行立面防护(挂炮被、铁丝网)。首次爆破区域布孔数目多，炮孔与临空面夹角小，应在在原有炮被等立面防护基础上对首次爆破区域加强防护，阻挡爆破飞石，防止危害。

6 结 论

1)针对综采工作面过断层或陷落柱问题，提出多排孔微差松动挤压爆破技术方案，并分析了方案设计中的布孔方式、钻孔角度、起爆方式等因素对爆破效果及工作面推进效率的影响。

2)基于岩石爆破理论和现场施工条件，给出了炮孔深度、炮孔间距、钻孔角度、装药量等参数的选取和计算方法。

3)进行现场爆破试验，钻孔角度分别为90°、80°和70°。试验结果表明，钻孔角度为80°时，爆破进尺约为2.4m左右，达到预期爆破进尺要求，爆破抛掷作用较小，矸石大块率低，爆破效果较好，验证了爆破方案中钻孔角度参数设计的合理性。

4)以王楼煤矿27305综采工作面过断层为技术背景设计爆破方案，计算了各项爆破参数，提出了相关爆破施工工艺，取得了较好的爆破效果，实现工作面推采无需或少切割岩石，达到节约截齿、提高了推采效率的目的。