综采工作面过陷落柱预裂爆破方案的优化研究

汤景明

（山西潞安集团蒲县开拓煤业有限公司，山西 临汾 041000）

1 概况

开拓煤业3105综采工作面采用倾斜长壁后退式采煤法采煤，全部垮落法管理顶板。综采面的走向长度259 m，推进长度1933 m，煤层平均采高为2.4 m。基本顶为中粒砂岩，平均厚度为8.91 m；直接顶为泥岩，平均厚度7.06 m；直接底为粗粒砂岩，平均厚度3.95 m；基本底为细砂岩和泥岩的混合结构，平均厚度为9.7 m。该工作面地质构造简单，整体呈宽缓的褶曲构造，轴线方向北西-南东，煤层倾向整体为西北高，东南低，倾角平均为3°，在巷道掘进过程中揭露3条断层和一个陷落柱。

在综采面推进到陷落柱区域时，发现陷落柱和综采面有约50.2 m的重合区域，而且陷落柱以白砂岩发育为主，岩性硬度极高，采用现有的浅孔爆破方案效率低，采煤机截齿磨损严重，掘进效率低下，无法满足综采效率和安全性的需求。为此，提出了一种新的深孔预裂爆破技术，通过组合式扩裂弹体和铝合金装置储药器相结合的方式，提升了预裂爆破的效率和爆破效果，对提高效率和安全性具有十分重要的意义。

2 弹体及装药器优化

3105综采面的陷落柱为白砂岩发育，硬度极高，在进行深孔炮眼设置时内部会产生一定的塌方，而且钻孔完成后在钻孔内部存在大量的岩粉，难以彻底清除，因此在采用传统的乳化炸药装药时，由于其柔性较大，很难将爆破药送到爆破孔底部，会导致药包变形和不连续，影响实际的爆破效果[1]。针对该情况，提出了一种新的组合装配式扩裂弹体，其整体结构如图1。

图1 装配式扩裂弹体示意图

由图1可知，该组合式扩裂弹体端部呈现圆锥状，用于引导弹体顺利穿过爆破孔内的不光滑和不规则区域，不同的弹体之间通过螺纹丝扣连接，既保证了整体的柔性，又保证了在回拉时的结构强度，使在装药过程中各个药包的间距恒定，有效避免了药包间距过大导致拒爆现象。

弹体的材料进行选择时要考虑防潮性、结构强度等，经过对多种材料的验证，选择了PVC材料[2]，其具有较好的阻燃性和抗潮性，化学稳定性好，能够适应井下深孔爆破的要求。根据爆破孔的尺寸要求，该弹体的直径设置为63 mm，各段长度为0.25 m，在使用时一般将4段组合为一个整体，总装药量设置为3 kg。

由于爆破孔内壁粗糙度高，在装药时需要有足够的强度，为便于装配方便还需要储药器具有轻量化的特点。对多种材料进行分析后，选择了铝合金材料来制作储药器，屈服强度约为190 MPa，其抗拉强度为253 MPa，满足在爆破孔内穿行时克服摩擦力的需求。同时，为了满足对爆破孔内进行吹洗的需求，在连接件上采用了中空的设计结构。该储药器整体结构如图2[3]。

图2 储药器装配结构示意图

3 爆破参数

为了对不同装药半径下的爆破效果进行分析，设置了6组不同装药半径（25 mm，30 mm，35 mm，40 mm，45 mm，50 mm）的药柱，其爆破后的裂隙半径分布见表1。

表1 装药半径和裂隙半径对照表

由实际爆破效果可知，爆破后的裂隙半径随着装药半径的增加而增大，且其裂隙半径和装药半径呈现近似线性相关，由此可以推导出线性相关公式：

y=31.143x+2.714R2

式中：y为爆破后的裂隙半径，mm；x为装药半径，mm；R为装药半径因变量，取0.994。

由此可推导出在不同爆破装药量情况下的裂隙区范围，为井下实际设置爆破方案提供理论支撑，实现爆破参数的快速选择。

4 爆破作业

根据综采面的实际情况，在进行爆破孔设置时，从距离陷落柱侧边10 m开始，顺着综采面进行布置，每个爆破孔之间的间距设置为2.5 m，爆破孔的深度在5 m以上。为了保证爆破的安全性，在所有爆破孔内一次设置的爆破药的量不大于190 kg，炮孔内设置炸药时全部采用正向装药结构，所有爆破药之间采用串行的方式进行爆破[4]，炮孔布置结构如图3。

图3 井下爆破控制布置结构示意图（m）

炮孔封孔炮泥的泥砂比例按3:1，加水混合均匀，总封孔长度不小于6 m。对爆破效果进行分析，在整个过陷落柱区域35个爆破孔中，一次爆破完成的孔数量为32个，一次合格率为91.4%，另3个孔爆破时出现了爆破漏斗抛掷现象，冲出了较多的岩石，判定为不合格爆破。优化前平均每米截齿的消耗量为12.36把/m，综采面平均推进速度为3.26 m/d，优化后每米截齿的消耗量为3.12把/m，磨损率降低了74.8%。平均推进速度增加到了4.06 m/d，效率提升了24.5%。

5 结论

针对3105综采面过陷落柱区域顶板结构强度大、综采效率低、采煤机截齿磨损严重的问题，提出了一种新的预裂爆破技术，开发了新的组合式扩裂弹体和铝合金装置储药器，实现了硬质顶板孔内装药的一致性，根据实际应用表明：

（1）组合式扩裂弹体端部呈现圆锥状，不同的弹体之间通过螺纹丝扣连接，既保证了整体的柔性，又保证了在回拉时的结构强度，满足在不规则爆破孔内放置需求；

（2）推导出了不同爆破装药量情况下的裂隙区范围，为井下实际设置爆破方案提供理论支撑，实现爆破参数的快速选择；

（3）新的预裂爆破方案能够将爆破一致性提升到91.4%，将采煤机截齿的磨损率降低73.4%，将综采面的综采效率提升24.5%，对提升煤矿井下综采效率和安全性具有十分重要的意义。