煤矿爆破技术应用现状梳理及展望

逄锦伦

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037)

随着技术的发展,爆破技术在煤矿开采过程的参与度越来越低。 炮采技术因其效率低逐渐被高效率的综采技术取代,但在遇到地质构造发育时的巷道掘进[1-4]或特殊地质条件下的露天煤矿开采[5-7]时,机械化设备难以发挥其优势,此时利用爆破掘进或开采技术则能起到优于机械化掘进的效果,因此,煤矿爆破技术在一段时期内仍将发挥重要作用。

厘清煤矿爆破技术的应用现状,对充分发挥煤矿爆破技术的优势具有重要意义。 鉴于此,笔者对煤矿爆破应用技术进行了系统的梳理,重点阐述相应技术在煤矿爆破中应用的特点,并指出下一步的研究方向,旨在为相关煤矿从业人员选择适宜的爆破技术提供参考。

1 煤矿井下爆破技术

1.1 巷道爆破掘进

岩巷在爆破掘进时,常采用毫秒微差爆破技术,将炮眼分组并按毫秒级的时间间隔顺序起爆,可实现全断面一次起爆。 使用毫秒延期雷管[8],以毫秒级时间间隔顺序起爆相邻药包,各药包的爆炸能量相互影响,爆破效果叠加,效果较好,同时可降低爆破振动。

1)硬岩巷道爆破掘进

硬岩巷道的岩石硬度系数f≥12,岩石过硬。掘进爆破时只能使用爆炸威力相对较小的煤矿许用安全炸药,同时雷管的总延迟时间≤130 ms。 掏槽是巷道爆破掘进技术的难点,主要采用楔形掏槽。 楔形掏槽的形式包括单楔形、双楔形和三楔形;还可以采用中心孔加强往外抛矸的形式以便于槽顶部岩石掏出[9]。

2)中硬岩巷道爆破掘进

中硬岩巷道的岩石硬度系数f=8 ～12。 巷道爆破掘进采用以中深孔爆破和直眼掏槽爆破为主的控制爆破方法,单循环掘进深度可达1.8 ～2.0 m。控制超挖是巷道爆破掘进技术的难点,常采用光面爆破和预裂爆破技术控制超挖[9]。

①光面爆破技术。 将光面爆破与锚喷支护技术相结合,应用于中硬岩巷道掘进。 通过交错形式布置2 圈周边眼,用内圈周边眼代替辅助眼;自下而上的顺序起爆炮眼,交替连接内外圈周边眼,并装设不同段数的雷管,使之交替起爆;采用反向起爆方式。

②预裂爆破技术。 周边眼先起爆,预先提供沿断面轮廓的贯通破裂面,形成预裂面。 预裂爆破技术能保证围岩的稳定,不会受周边炸药爆炸的影响,以及其他炮眼的应力作用,预裂爆破参数类似于普通光面爆破的参数。

3)软岩巷道爆破掘进

软岩巷道的岩石硬度系数f≤8,爆破掘进技术和中硬岩巷道爆破掘进条件下的技术类似,主要采用中深孔光面爆破技术。 需采用低密度、低爆速、高效能炸药并严格控制炸药的装药量,选择合理的光面爆破参数和光面爆破装药结构[9]。

4)聚能爆破掘进

普通爆破的爆轰产物会向炮孔的四周无规则飞散,产生的裂纹也随之无规则扩展。 而聚能爆破利用空穴效应,通过改变药卷结构,使得爆轰产物向特定方向积聚,可加大在特定方向上的破坏作用。 在药卷的两侧对称位置设置聚能空穴,爆破产生的爆轰产物将沿此空穴的轴线方向积聚,形成一股高密度、高速度、高压力的气流,称为聚能射流。如果在空穴上安装紫铜材料制作的金属罩,借助其密度大、可压缩性小的特点,爆破后能将爆炸能量转化为动能形成金属聚能射流。 聚能射流在爆破孔边缘切割出初始的导向切缝,为后续的爆炸应力波以及爆生气体进一步扩展裂隙起到定向的作用[10]。

聚能爆破技术可以使裂纹演化的能力在聚能方向上被提高,而非聚能方向上被有效降低,减小了支护围岩被损伤破坏的程度;爆破效率、炮孔利用率皆被提高,爆破后形成的围岩轮廓断面较平整,超欠挖率有效降低。 在地质构造带内掘进巷道时,可有效抑制巷道围岩失稳或动力灾害的发生。

1.2 岩石松动爆破

松动爆破技术是利用爆炸能量破坏岩体内部并发育大量裂隙使得岩体变得松动,但并不会发生碎石抛掷现象。 爆破后会以药包为中心形成粉碎区、裂隙区、弹性振动区3 个不同距离的破坏区域。对断层岩体进行预先松动爆破,能够确保煤层顶、底板结构的稳定,实现综采机顺利、快速、安全高效地通过断层,工作面的回采效率和煤炭资源采出率均会提高[11]。 对落差不太大的断层,一般采用松动爆破技术辅助综采机强行推过断层的方法,可选用煤矿许用水胶炸药,1 ～5 段煤矿许用毫秒延期电雷管。

1.3 煤层泄压爆破

通过钻机将相变致裂装置送至钻孔中预先设定的位置,并将内置导线与钻孔外的起爆线相连。通过起爆器的起爆头爆破,使得发热管产生热量,并使储液管内的液态二氧化碳能在20 ms 内由液态转化为气态,体积瞬间膨胀为原来的600 余倍,气体压力急剧升高,最高可达270 MPa。 气态二氧化碳的压力上升并达到泄能片的额定工作压力时,泄能片在瞬间被冲破,气态二氧化碳通过释放筒上的定向孔高速向外释放,对作用范围内的煤体施加巨大的冲击力,使煤层中原有的裂隙进一步被扩大、贯通,有效改善了煤层的透气性。 煤层的透气性增大使得大量的瓦斯由吸附态解吸为游离态,可以提高瓦斯抽采效率,煤层中的瓦斯大量被抽排可以实现煤层快速卸压的目的[12-14]。

1.4 顶板爆破

1)液态二氧化碳相变致裂顶板

煤层中的坚硬顶板极难垮落,可能造成工作面临空侧超前支护段巷道的严重变形,可通过液态二氧化碳致裂技术爆破致裂坚硬顶板。 利用液态二氧化碳致裂坚硬顶板,其最大的优点是不会产生炸药爆炸时产生的有毒有害气体,不会产生构造性破坏。

2)切顶爆破

受煤层采动以及采场上覆岩层活动的影响,特别是侧向顶板岩层的破断影响,回采巷道或护巷煤柱会发生较大变形。 通过布置合理的钻孔,爆破应力波和爆生气体将钻孔周围岩体破碎,因产生大量贯通的裂隙则爆破区域顶板被局部弱化。 工作面回采后,顶板会沿爆破线断裂[16],实现顶板安全管理。

2 常规露天煤矿爆破

2.1 常规露天煤矿爆破技术

露天煤矿爆破时炸药的波阻抗应与所爆破岩石的波阻抗相匹配[17]。

通过微差挤压爆破,利用岩体间的挤压作用提高爆破质量。 微差挤压爆破具有爆破量大、破碎块度均匀、大块率低的特点,可提高电铲采装效率;爆堆集中,无须清理出台阶即可实现穿孔作业。

2.2 非构造裂隙岩体条件下的露天煤矿爆破技术

根据爆破作用线核心理论[18],主要爆破作用区域内的爆破岩体受节理、裂隙影响,区域内炮孔连线为爆破作用线,该线上的炮孔都会受到多个邻近炮孔先期爆炸形成的破裂面的影响,破裂面成为岩体内的侧向自由面。 爆破作用线上的炮孔产生的气体在侧向自由面产生的反射拉伸波将径向拉应力施加于后爆岩体,使其再次产生环向裂缝,可增强爆破效果,也可增强非构造裂隙岩体的破碎作用。

3 结语及展望

通过调研并梳理了不同爆破技术适宜的应用领域,结果表明:煤矿爆破技术应用于不同硬度、不同地质条件下岩巷的掘进时可以弥补综掘技术的不足,实现特殊条件下岩巷的快速炮掘;二氧化碳相变致裂技术应用于煤层致裂、卸压时,可以实现煤层的增透,利于煤层气的抽采;炸药爆破或二氧化碳相变致裂技术应用于顶板致裂时,可以实现顶板的安全管理,利于巷道的维护;煤矿爆破技术应用于常规及非构造裂隙岩体条件下的露天煤矿开采时,可以实现较好的爆破与岩石抛掷效果,利于露天煤矿的开采。

后续的研究可以聚焦于提升炸药、电雷管等器材的安全性和可靠性,以满足含瓦斯环境下炸药爆破技术的应用;提升二氧化碳相变致裂技术的安全性和操作性,降低其使用成本,以满足含瓦斯环境下二氧化碳相变致裂技术的应用。 随着煤矿爆破技术的发展,其适用范围还将扩大,在未来一段时期仍将会发挥重要作用。