深孔预裂爆破技术在综采工作面过陷落柱中的应用分析

郝万鹏，刘宏煜，杨亚超，赵军利

（晋能控股煤业集团赵庄二号井，山西 长治 046000）

随着即将开采完的浅部煤炭资源，和持续提升的机械化程度，更安全、更高效地回采煤炭资源并提高其使用率是煤炭能够继续发展最根本的要求。陷落柱的岩溶是一种地质构造，其分布及影响范围都是比较大的，其影响着矿井能够正常的进行开掘部署和回采活动，现在，几乎全部的综采工作面还在使用常规的技术手段如潜孔爆破、平推硬过等经过一些比较高强度的岩性的非导水陷落柱，其效率不但低，而且刀齿磨损十分严重，致使安全隐患存在其中。

深孔爆破技术在经过比较合理的设计封孔长度、药卷直径及钻孔参数能够使存在于陷落柱内的厚硬岩体完成一次性预裂爆破效率更高，进而使工作面安全高效地经过陷落柱构造区。为此，该论文采用的案列是晋能控股煤业集团某矿2325综采工作面过坚硬陷落柱，关于蕴藏于煤系地层和开采技术的条件，PVC组合装配式扩裂弹体与装药器被研制出来，模拟LS-DY⁃NA 软件的数据并得出结果，以上三方面相结合，并设计了主要关于爆破X140陷落柱的深孔的方案。

1 本文采用案例的工程状况

晋能控股煤业集团某矿2325工作面使用的采煤方法是倾斜长壁后退式，其工作面走向、推进长度分别为267.4m、1423m。其中，其开采煤层厚度均为2.80m，其伪顶、直接顶、基本顶使用的岩性分别为高岭石泥岩、灰黑色砂质泥岩、灰白色中粒砂岩，其厚度分别为0.30m、3.49m、2.69m。表1 即为煤层和顶板岩层详细的岩性表。

表1 煤系地层顶底岩性情况表

在推进2325工作面时，会与较高岩性的X140陷落柱相遇，在工作面中，X140 陷落柱能够达到的宽度是40.26m，且为最大宽度，推进工作面并按其延展方向延伸至小于99m时其里面主要就是白砂岩，图1即有陷落柱所在的位置。

图1 2325工作面布置情况图

2 研发、设计扩裂弹体和装药器

在未进行深孔预裂爆破时，能不能完成深孔爆破其关键是把设计时需要的炸药包能否成功装在指定位置。现在，煤矿在实际爆破的时候，使用的炸药大多数是乳化炸药，其有比较大的柔性。本文采用例子是2325 综采工作面比较坚硬的陷落柱，在对炮眼进行钻凿时，一则，有白砂岩存在于陷落柱里面，大多数的白砂岩分布显露成块状并且为泥质胶结，所以在成孔以后会有一些孔段孔径形态发生变化，且变化比较大；二则，在完成钻孔以后，清洗炮孔里面的岩粉十分困难。由于上面的2个原因，使被推送的药包极易被破坏或在炮孔里面卡塞，致使装药十分不便或药包断断续续，进而使爆破不能达到预料的成效，而且，炸药在爆炸之后残留的部分也会对以后的生产留下隐患。为了把上面提及到的两个难题解决掉，PVC 管组合装配式扩裂弹体和新型装药器被研发设计出来。

2.1 设计的PVC管组合装配式扩裂弹体

在PVC管组合装配式扩裂弹体中，其每段的弹体壁厚度、弹体外径、装药长度、装药密度、装药重量分别是1.5mm、63mm、1000mm、1.1g/cm3、2.95kg。锥形结构位于成套弹体的最前面部分，能够成功推过粗糙的炮孔及堆积着岩粉的地方。每一个扩裂弹体都使用丝扣相连，在装药时若有卡塞发生，推拉的力量是在药柱能够承受的范围内，并确保相邻药包之间紧密相连，能够很好地阻止药卷之间由于间距比较大而导致失爆现象发生。此外，阻止燃烧和化学性质比较稳定是PVC材料的特征，并且有爆炸发生时，不会和瓦斯与煤尘有化学反应产生，所以能够达到井下进行深孔爆破工作的条件。

2.2 对装药器进行设计

对深孔进行扩裂爆破时，其炮孔的长度比较长，在确保构件的强度与刚度都足够多的基础上，满足轻量化的要求，新型管状装药器被设计研究出来。新型管状装药器的一根管的长度、直径、壁厚分别是1.5m、40mm、2mm。使用的材质是6063铝合金，其抗拉强度是253MPa，屈服极限是196MPa，所以能够确保装药器把装药的外壳在孔壁极大的摩擦力下推送到设计的规定位置，并且，为了使深孔的冲洗及吹孔更加方便，所以把连接件设计成了中空。

3 对深孔预裂爆破进行优化

3.1 确定爆破的参数

LS-DYNA 是能够显示其动力并对其进行分析的程序并且是通用的，它在研究优化其装药结构、扩展爆破裂纹等许多的非线性作用下冲击的问题中被普遍使用。按照2325工作面在实际当中的地质要求，LSDYNA 软件被本文所使用，关于模拟研究其在直径药卷不同时其扩裂半径的数据，表2即为岩石材料模型力学性质参数。

表2 岩石材料力学性质参数情况表

图2 是在完成爆破以后不同药卷直径下的止裂形态，从图2中可以看出，爆破冲击波变成应力波之后，应力波形成同心圆的样子显露在孔壁上，跟着应力波不断增加的传播距离和逐渐增多的由于消耗了大量的能量而导致被损坏的岩石，应力波表现为逐步减弱的趋势。经过推测计算裂纹的长度可以知道，32 倍的药卷半径大约就是裂隙区的半径，根据裂纹分散的密度可知，在完成深孔爆破之后，有益于机组经过。

图2 各种装药半径下的止裂形态情况图

为了能够更加直接地感觉在爆破时，由于载荷的作用、岩体的力学特性，把4个应力监测点布置在模型上，其4个应力监测点和爆孔中心的距离分别为50cm、150cm、200cm、250cm，并用A、B、C、D4 个字母表示，如图3所示。

图3 模型测点情况图

图4即为4个测点的有效应力—时间曲线图，对图4中的曲线进行分析得知，在四个单元中每个单元在应力出现峰值的强度和时间与距离炮孔中心的位置不成正比，靠近炮孔的岩体表现出的受力特性是先压后拉状态，而且拉应力峰值的绝对值比压应力峰值的绝对值要小得多。

图4 四个测点的应力时间曲线图

表3 即为最大裂隙区在六种工时的半径。经过拟合表3中的相关数据，得出了线性回归方程的因变量及自变量，其因变量及自变量分别是装药半径及裂隙区半径，由图5 可以看出，在整个方程中，矿就有0.994。把其数据带入方程中可知，若63mm 是药卷直径的时候，则2016mm就是裂隙区的直径。与3m采高的工作面和有关的工程经验相结合可以知道，药卷的直径是63mm 能够达到工程的要求，采高1.5m 的位置与钻孔的中心位置在同一水平线上，其钻孔的地方位于波动200mm。

表3 装药半径以及裂隙区半径情况表

图5 装药半径与裂隙区半径线性拟合图

本次进行深孔预裂爆破的位置是2325工作面中的辅助进风巷1 里面，按照《爆破安全规程》(GB 6722-2014)中的相关规章，深孔爆破的爆破作业要求的是炮孔直径与深度分别是50mm以上与5m以上。所以，爆破深孔被布置的位置是自距离陷落柱左边裸露在外的边缘的10.56m的地方开始，顺着工作面推进的同一方向在长度为85m 的区域内每间隔2.5m 设置一个爆破深孔，并控制爆破深孔的深度范围为5～36m。为了使安全性更高，控制一次爆破需要的总药量要小于200kg，采用正向装药方式在全部炮眼上装药，装药完成并串联之后与发爆器相连接。

3.2 填塞工艺的工作原理

填塞工艺在深孔进行爆破时不仅与爆破成效如何有关而且也与能否安全的爆破有关。所以，要按照深孔爆破各异的目的，因此炮孔的填塞也要有目的性。在此次实验中，封孔使用的是炮泥，其比例是3份的黄土和1份的砂，按这一比例与水混合，使其均匀，继而再制作成圆柱形，其圆柱形的长度是200mm，∅60mm。把数值代入公式（1）中，通过计算得出，6m即为封孔的安全长度。

式中：R——在现场进行实验时爆破孔的半径，mm，取值47mm；

f——侧压系数，取值0.3；

n——综合影响系数，取值1.5，并且是其最大值；

λ——摩擦因数，取值0.02。

通过计算得出其封孔的长度L≥5.9m。

4 在现场进行工业性试验

4.1 爆破成效

对深孔进行爆破作业都是在半无限体内的并且药量比较大，因为爆破区域不存在有用的补偿空间，炸药在爆炸时会有很多爆生气体及爆炸能量产生，而爆炸区域是用来消耗其爆炸能量和爆生气体的，消耗的快慢与爆破填塞、由于爆破导致了岩石产生裂隙其扩展快慢、爆破区域里面的原岩裂隙的发育到什么状况有关。即使有很多白砂岩存在于X140陷落柱里面，白砂岩即坚硬又完好，而且是块状的泥质胶结。因此，其能量在爆破时会耗散的比较快，补偿空间被提供给了爆生气体用于膨胀，其空间比较大。

在结束深孔预裂爆破以后，统计了炮孔的每次爆破的成效。当中，因为5 号孔充填了比较差的炮泥质量，导致了在爆破之后，炮泥被冲出来，在1～17号中除了5 号其他的孔都没有很大冲孔现象出现；在爆炸时18、19号孔有爆破漏斗抛掷的现象出现，很多岩石被冲出来，对造成这一现象的原因进行分析，得出结论是在本区域里面岩石的岩性比较好且装了大量的药量而造成的；20～35号孔未出现以上两种现象。

4.2 对试验数据进行统计

（1）在2325 工作面未经过X140 陷落柱时，首先要经过X165 陷落柱，因为两个陷落柱的岩性比较相似，而且使用的方法是对潜孔进行爆破。共有31.8m 是X165 陷落柱推进的。消耗截齿共396 把，使用的时间是9d，截齿消耗的平均值每米消耗12.45 把，工作面推进的均速是一天推进3.53m。

（2）在X140 陷落柱中的深孔进行爆破的区域中2325 工作面共计推进了85m(即布设1#～35#炮眼的区段)，截齿一共消耗了270把，使用的时间是21d，消耗截齿的平均值是每米消耗3.18 把，工作面推进的均速是每天4.05m。

（3）经过把上面数据进行对比发现，截齿在X140陷落柱进行爆破扩裂区的消耗量和X165 陷落柱相对比下降了74.5%，工作面推进时的均速上升了14.7%。

5 总结

（1）就陷落柱具有的岩性比较坚硬这一问题，把型PVC 组合装配式扩裂弹体研制出来，利用炸药具有的柔性乳化的特点来为其闸北被精准地送至规定的炮眼的位置，使每个药包之间的耦合度上升。而且，使用铝合金来用作包药器，其既能使安装时更加便捷，借助其中空式的连接头，可以实现深孔能够更好地完成冲洗及吹孔的工作。

（2）按照LS-DYNA 进行模拟得出的结果得知，在此次爆破，药卷直径、相邻炮眼之间的距离、封孔炮泥的适合的长度范围等被选用，其数据分别是63mm、2.5m、1.5～6m，在每次进行爆破的时候，其总的药量要在200kg以内。

（3）在现场进行工业性试验得知，2325综采工作面使用深孔预裂爆破技术经过陷柱的时候会有比较好的成效，其具有比较坚硬的特性。其中，在爆破实施完成以后，被爆害的炮孔中有92%的是能够得到控制的，消耗截齿的数量减少了74.5%，工作面在推进时的均速上升了14.7%。