過大斷層深孔預裂爆破方法研究

李 東 王日剛 王廣偉

（山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274918）

1 概況

對于落差大、延伸距離長的斷層，在綜采工作面布置中比較常見。若采用采煤機強行推過，存在破巖效率低、截齒消耗大等問題。傳統過大落差斷層技術常用有挑頂起底法和搬家跳采法。挑頂起底法采取預先設計好挑頂或起底的過斷層路徑，在工作面以淺孔爆破和采煤機破巖相結合的方式推進，但工作面附近爆破施工時設備防護難，常炸壞支架，同時，淺孔爆破量小，邊放炮邊推進循環次數多，致使工作面推采緩慢，不僅擾亂了回采接續，還存在采空區煤炭自燃等安全隱患。搬家跳采法則需要進行大量巷道掘進及維護，且工作面撤除及安裝工序繁瑣，存在煤炭損失嚴重、工期長等缺點。

山東能源新巨龍公司多個工作面受到了大落差斷層影響，煤層頂底板巖石多為細砂巖，硬度較大，傳統過斷層技術無法滿足高效采煤需求，根據現場條件設計了“深孔預裂爆破”的高效過斷層模式，即沿斷層面實施寬巷掘進，將采煤機截割范圍內巖石盡可能的提前排出，同時在巷道中對硬巖進行預裂爆破，從而實現過斷層不減產的目的。

2 預裂爆破巷道的掘進

2.1 預裂爆破巷布置原則

由于爆破巷兼顧探測、排矸與爆破三項用途，布置時應綜合考慮巷道施工安全、施工難度、爆破孔布置、爆破振動控制等因素。

（1）斷層面為應力降低區，為保證掘進期間安全，預裂爆破巷需沿斷層延伸方向掘進，可沿斷層面或斷層下盤底板掘進；

（2）提前設計過斷層采煤機割煤過渡段，盡可能將爆破巷設計在巖石中提前排矸，減少丟煤；

（3）爆破巷高度需與工作面采高相同，避免推采過程中破壞頂板支護；

（4）炮孔偏斜率是保證爆破效果的關鍵因素，炮孔越長，偏斜率越高，爆破效果越差，為減小爆破孔長度，預裂爆破巷須布置在斷層巖石過渡段中部，均衡巷道兩幫炮孔長度；

（5）巷道寬度應考慮鉆孔機具設備擺放需求以及施工便利。

2.2 預裂爆破巷施工參數

提前對爆破巷布置參數進行設計，選擇合適的間隔距離H對綜采工作面斷層情況作平剖面分析，其中H可選擇5～10m，如圖1、2，利用三角函數關系可知某一段巷道走向角度θ。

圖1 爆破巷布置平面示意圖

圖2 爆破巷布置剖面示意圖

3 深孔預裂爆破參數設計

3.1 爆破孔孔徑

爆破孔直徑是影響爆破不耦合系數、爆破區域裂紋擴展、爆破區域巖體松散度等的重要因素。對于深孔預裂爆破來說，當炮孔孔徑較小時，由于受裝藥量的影響，爆炸能量相對較小，會導致爆破區域巖體松散性系數較小，爆破效果不理想。同時，由于孔徑相對較小，在施工鉆孔過程和鉆孔完成之后，鉆孔偏斜率無法保證，裝藥工作也會受影響。當炮孔孔徑過大時，不但會增加鉆孔的工作量，也會經常發生卡鉆、塌孔等現象，將增大鉆孔的難度。根據實踐經驗，深孔預裂炮孔直徑可選擇在75～100mm 之間。

3.2 炮孔孔深

孔深與孔徑之間的關系也相當密切，考慮裝藥量及炮孔封堵長度等參數的情況下，孔徑小，炮孔深度也應淺些，孔徑大，則炮孔深度也要求深些。此外，炮孔深度也與爆破區域有關，在過斷層的情況下，孔深應隨著斷層的走向變化、所爆破巖層厚度、爆破振動控制要求等變化。綜上所述，為保證良好預裂爆破效果，煤礦深孔預裂爆破鉆孔一般情況下打孔時見煤層即停止，炮孔深度可在10～30m。

3.3 炮孔間距

根據巖石硬度情況，巖石硬度較大時可選擇較小的炮孔間距，巖石硬度較小時選擇較大的炮孔間距，根據實踐經驗炮孔間距可暫定為2～5m，然后進一步驗證并優化。先在試驗區根據經驗數據鉆兩個炮孔，清理孔內巖渣、煤渣，并進行裝藥、封堵；隨后在兩炮孔連心線中點鉆一相同深度鉆孔，保留孔內積水，孔口處進行一小段封堵，避免孔內巖渣、積水沖出炮孔；完成施工后進行爆破試驗，試驗后利用鉆孔窺視儀觀察中心鉆孔積水以及孔內裂隙，根據爆破結果進行炮孔間距再優化。

3.4 裝藥方式

（1）爆破炸藥選用煤礦許用二級水膠炸藥，直徑27mm，每根長度300mm，重量約0.3kg。在鉆孔內裝藥時，采用三節藥卷捆綁的方式增加直徑，將導爆索串聯于炸藥中間，如圖3。

圖3 三節捆綁藥卷截面圖

（2）裝藥方式為不耦合裝藥，正向起爆，每個爆破孔采用雙雷管，雷管以并聯的方式連接，炸藥之間采用導爆索連接，導爆索延至炮眼外3～5cm。

（3）封堵采用水泥漿封堵，封堵長度一般不低于炮孔長度的0.25倍，可根據爆破效果進行適當調整。

① 俯視炮孔封堵方法。為防止水泥漿流入裝藥段，封堵炮孔前用炮泥對炸藥頂部進行密封。導爆索貫穿整個炮眼，在眼口處采用兩支水炮泥包裹，以便于檢查是否爆破成功，如圖4所示。

圖4 俯視孔裝藥結構圖

② 仰視炮孔封堵方法。仰視炮孔裝完炸藥后，將回漿管塞入孔內至炸藥頂端，在回漿管另一頭用封堵材料對孔口進行封堵，開始向炮孔內注入水泥漿，注漿完畢后堵住注漿口。導爆索貫穿整個炮眼，在眼口處采用兩支水炮泥包裹，以便于檢查是否爆破成功，如圖5所示。

圖5 仰視孔裝藥結構圖

4 深孔預裂爆破應用

4.1 區域爆破

為了控制爆破振動影響，降低最大一次起爆裝藥量，同時考慮起爆網路設計難度，提出“區域爆破”思路，即根據所爆巖層厚度以及最大一次起爆藥量對爆破振動進行預測，將爆破區域進行劃分，單次起爆藥量應控制在200kg以內。

起爆時同區域炮孔同時起爆，當采用水泥漿封堵炮孔形式時，由于封堵施工時將成團導爆索置于孔口附近，可根據各孔口處是否有封口炮泥隆起或沖飛的現象判斷炸藥起爆情況，及時處理“盲炮”，確認安全后，下一區炮孔再起爆。

4.2 應用效果

本次工作面過大落差斷層通過應用深孔預裂爆破技術，在合理運用爆破參數，嚴格執行施工工藝的前提下，取得了良好的預裂爆破效果，滿足了采煤工作面過大落差斷層的相關要求。

爆破過程中沒有出現拒爆、沖孔的現象，爆破后炮孔間形成連續的、基本上沿著炮孔連線方向的裂縫，且預裂縫基本保持在0.5～1cm之間。在割煤機割到爆破區域后時，經過觀察可以發現，在炮孔周圍0.3m左右的范圍巖石基本全部破碎，0.3～0.7m范圍內巖石的裂紋縫隙明顯，在0.7～0.8m范圍內巖石產生細微裂紋，巖石剝落后級配大小合理。

本次深孔預裂爆破為超前處理，因此工作面過斷層時間大大縮短，降低了機具損壞率，保證了工作面生產的連續性，緩解了工作面接替緊張局面，有巨大的經濟效益。

爆破效果如圖6所示。

圖6 爆破效果圖

5 結語

采用采煤面過大落差斷層深孔預裂爆破技術，擺脫了跳采搬家、另開切眼過斷層的傳統工藝的困擾，降低了勞動強度；超前處理斷層，保證了工作面正常的生產接續。該技術為復雜地質條件下工作面過斷層開辟出一條新道路。