采煤工作面过陷落柱深孔预裂爆破技术的应用研究

池津维

（中煤科工能源科技发展有限公司，北京 100013）

1 工程概况

新元煤矿主要开采3#煤，煤层平均厚度2.05 m，整体赋存稳定，结构简单，属中灰、低硫的优质贫瘦煤，内生裂隙发育，煤层中含1～2层泥质夹矸，厚度一般为0.02～0.10 m。煤层顶底板结构见表1。

表1 煤层顶底板结构

3405工作面处于一水平4采区，工作面标高612.8～717.4 m，埋藏深度366.0～438.7 m。工作面走向长240 m，倾斜长1825 m。工作面北部为矿界；南邻西回风大巷（北）、西辅运大巷、西胶带大巷；西部未布置巷道；东部为3406掘进工作面。3405工作面在推进过程中遭遇了岩性为粉砂岩的YX3陷落柱，其坚硬程度较高且侵入工作面的范围较大。根据现场实测，YX3陷落柱侵入工作面的宽度为37.5 m，沿推进方向的长度达到了99 m，对工作面的正常回采影响较大。因此，设计采取深孔预裂爆破技术保证工作面安全通过陷落柱[1-4]。

2 扩裂弹体与装药器的设计

深孔预裂爆破取得良好效果的关键，在于炸药包能否顺利送入孔内起爆的指定位置。煤矿爆破普遍采用的乳化炸药柔性较大，不易顺利送入孔内。由于3405工作面YX3陷落柱内多为粉砂岩，硬度较高，因此钻孔成形较差，孔内不平直。另外，在钻孔形成后，孔内的岩粉也较难清洗。以上的问题导致了装药包的过程中易发生药包破损或堵塞，导致钻孔装药不连续，进而影响了爆破效果。因此，设计了扩裂弹体与新型装药器，以保证装药质量。

2.1 PVC管组合式扩裂弹体

该扩裂弹体由PVC管组合装配形成，管壁厚为1.6 mm，外径为60 mm，可装1000 mm长、3.10 kg重的炸药，结构如图1。为了使弹体顺利推入孔内，将弹体的最前端做成光滑的锥形结构。各扩裂弹体之间均采用丝口连接，出现堵孔时可以承受推拉，并且可以保证药包之间的爆炸连续性，防止出现药包失爆现象。另外，PVC材料的阻燃性和密闭性较好，可以保证炸药在井下潮湿、高瓦斯的环境下保持稳定性，可以满足井下深孔爆破作业的需求。

2.2 装药器的设计

由于爆破孔的长度较大，采用的装药结构应具有强度和刚度大、重量较轻的特点。基于此，设计了新型装药器，如图2。该装药器为铝合金制成管状结构，其抗拉强度达到了249 MPa，每根装药管长度为2 m，壁厚3 mm，外径38 mm，可以将药包顺利送入孔内的指定位置。另外，各装药管的连接处均为中空设计，便于在装药前对孔内进行清洗。

3 深孔预裂爆破工艺

3.1 爆破参数确定

根据3405工作面的工程地质条件，利用LSDYNA显示动力分析程序模拟分析不同直径药包下的爆破扩散半径。陷落柱内粉砂岩的物理力学参数见表2。

表2 粉砂岩物理力学参数

不同直径药包爆破后的裂缝扩散形态如图1。药包爆炸后形成的冲击波接触到孔壁后，转化为呈同心圆形态的应力波在岩体内向外传播。随着传播距离的增大，岩石破坏所吸收的能量增加，应力波也逐渐衰减。通过模拟结果可知，爆破后裂隙的扩散半径约为药包半径的30倍，且裂纹的发育程度有利于采煤机组的顺利通过。

图1 不同药卷半径下的裂隙扩展形态

在模型的岩体内，距爆破孔中心50 cm处每隔50 cm布置一个应力测点，共布置4个，分别记为A、B、C、D四个点，如图2。

图2 应力测点位置

将4个测点的应力值随时间的变化绘制成曲线，如图3。由结果可知，随着距炮孔中心距离的增加，测点的应力峰值逐渐减小。炮孔周围岩体的受力特性表现为先压后拉，且压应力峰值的绝对值要远高于拉应力峰值的绝对值。

图3 测点应力—时间变化曲线

六种药包直径下的裂隙最大扩展半径见表3。将表3中的数据进行线性回归拟合，得出的回归方程R2达到了0.994，如图4。根据线性回归方程可以预测出，当药卷直径为62 mm时，爆破后的裂隙扩展直径可达2011 mm，3405工作面为2.7 m，根据以往工程经验可知，直径62 mm的药包可以满足采煤机正常通过陷落区，钻孔均布置在工作面采高的中间位置。

表3 装药半径与裂隙半径统计

图4 装药半径与裂隙扩展半径线性拟合

爆破炮眼在3405辅运巷主帮上沿工作面推进方向布置，起始炮眼距工作面10.56 m，炮眼间距为2.5 m，共计布置长度为85 m，炮孔深度控制在6～35 m之间。炮眼布置如图5。

图5 炮眼布置图（m）

为了保证工作面安全，所有炮眼均为正向装药，单次爆破总药量不超过180 kg，各起爆雷管采用毫秒微差起爆方式连接，分批次爆破。具体爆破参数见表4。

表4 深孔爆破具体参数表

3.2 炮眼填塞工艺

深孔爆破能否在确保安全的前提下达到预期效果与填塞工艺的好坏也有直接关系。根据陷落柱的岩性及炮孔参数，结合以往的工程经验，采用的封孔炮泥中，黄土与砂的比例应为3:1，封孔炮泥为圆柱形，高度为150 mm，直径为62 mm。封孔长度L可由下式计算得出：

L≥cR/2λμ

式中：R为爆破孔半径，取30 mm；c为综合影响因素，取1.5；λ为侧压系数，取0.2；μ为摩擦因数，取0.02。

经计算得出封孔长度L≥5.6 m，为安全起见，封孔长度取为6 m。

4 现场应用效果分析

在现场进行深孔预裂爆破后，对爆破效果进行了统计，所有爆破均未出现失爆或冲孔现象。在3405工作面通过YX3陷落柱之前，先通过了岩性同为粉砂岩的X205陷落柱，由于未采取深孔预裂爆破技术，采煤机在X205陷落柱累计推进30.6 m，损耗截齿401把，平均每推进1 m，截齿消耗13.10把，工作面平均推进速度为3.81 m/d。在工作面YX3陷落柱区域实施了深孔预裂爆破技术后，累计推进85 m，截齿共损耗264把，平均每推进1 m，截齿消耗3.11把，工作面平均推进速度为5.02 m/d，截齿平均消耗量降低了76.3%，工作面推进速度提升了24.1%。

5 结论

（1）针对陷落柱内为高硬度岩体，设计了PVC管组合的新型扩裂单体，可以将药包顺利送入指定深度，并配合铝合金管装药器保证了药的连续性。

（2）利用LS-DYNA软件模拟了爆破裂隙扩展半径与药包半径间的关系，得出药包直径62 mm时可以满足需求，并确定出封孔长度为6 m，炮孔间距为2.5 m。根据现场实际情况制定了各炮孔的具体爆破参数。

（3）现场试验表明，采用深孔预裂爆破技术后，工作面通过陷落柱时，截齿的平均消耗量降低了76.3%，工作面的推进速度提升了24.1%，取得较好的应用效果。