松動爆破技術在綜采工作面過斷層中的應用試驗

徐海峰,王德玲,林 飛

(中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

某礦一綜采工作面,煤層平均厚度3.5 m,煤層硬度系數2～5,煤層平均傾角10°,煤層頂板為砂巖、泥巖,底板為細砂巖,以石英、長石為主。該工作面回采推進過程中遇到F12 正斷層,其產狀:傾向南西 300°、傾角 60°～70°、斷層落差 0～10 m；斷層影響范圍:走向長238 m、傾向長137 m,并向綜采機頭方向延伸。該斷層嚴重影響工作面安全推進。

斷層是因地殼運動使巖層或巖體破裂后,兩側巖層或巖體會有較明顯相對錯動的斷裂構造。在綜采工作面回采過程中會經常遇到斷層,如何高效、快速、安全地過斷層一直是個技術難題[1]。目前,國內綜采工作面過斷層所采用的方法主要有:

1)對落差較小、影響范圍也較小的斷層,往往采用調整綜采機回采高度、回采層位的方法。

2)對落差較大的斷層,在采區設計或巷道布置與施工時設法避開。

3)對落差較大的斷層,如果在采區設計中難以規避的,通常采用另開切眼,跳采搬家的方法,但此法既耗時又費力,會嚴重影響工作面的正常生產與接續。

4)對落差不太大的斷層,一般采用爆破技術輔助綜采機強行推過斷層的方法[2]。

該綜采工作面斷層落差為0～10 m,擬采用爆破技術輔助綜采機強行推過斷層的方法。由于綜采工作面設備、設施較多,且距爆破點很近,爆破時應特別注意綜采設備、設施的安全。一旦爆破飛石砸壞綜采設備、設施,不但影響工作面的正常安全生產,而且會造成嚴重的直接經濟損失。因此,在綜采工作面采用爆破作業時,采用松動爆破技術,可以做到松而不飛。并且只需滿足爆后在巖體內形成裂隙,保證綜采機切割時能正常工作即可。

1 巖石松動爆破技術原理

炸藥在巖體內起爆后,巖體發生碎裂破壞,這是由于炸藥爆炸產生的能量通過爆炸沖擊波和爆生氣體兩種形式傳遞給了被爆巖體。爆炸沖擊波首先作用于巖體,使其產生裂隙,然后在一定程度上促使裂隙發展；隨后爆生氣體進一步使裂隙發展并相互貫通,將巖體切割成彼此相對獨立的塊體。如果將巖體看作無限均勻介質體,根據爆炸對巖體的破碎效果,以炸藥藥包為中心會形成三個不同距離的破壞區域,分別為粉碎區、裂隙區和彈性振動區。

松動爆破技術是利用炸藥爆炸時產生的能量使被爆巖體內部發育大量裂隙而產生松動,但并不發生拋擲現象的爆破技術[3]。通過松動爆破技術對斷層巖體進行預先松動處理,不但能夠保護煤層頂、底板結構的穩定,而且實現了綜采機順利、快速、安全地通過斷層,提高了工作面回采效率和煤炭資源采出率。

2 松動爆破工藝參數

松動爆破工藝參數主要有爆破器材選擇、炮孔深度、炮孔間排距、單孔裝藥量及裝藥結構、起爆網路等。

2.1 爆破器材選擇

所選用炸藥的性能對松動爆破效果影響較大,因此本次試驗選擇安全性能較好、傳爆能力較強的煤礦許用水膠炸藥；雷管選擇煤礦許用毫秒延期電雷管1～5段；鉆機選擇氣腿式巖石風動鑿巖機,鉆頭為球齒型、十字型或一字型,直徑40 mm。

2.2 炮孔深度

炮孔深度首先考慮爆后巖石的松動效果,其次考慮鉆孔效率、施工設備和施工技術水平等因素,同時還要便于施工組織和管理[4]。若鉆孔太深,則因內部夾制作用及地應力作用造成松動效果太差,起不到應有的作用；若鉆孔太淺,則爆破輔助作業時間占比太長,整體效率降低。

綜合考慮以上因素,每松動爆破一次,要滿足綜采機推進刀數不小于3 刀(每刀截深0.8 m),即每次爆破松動深度不小于2.4 m,按炮孔利用率80%計算,確定炮孔深度為3.0 m。為了減少爆破施工對生產班的影響,確定在檢修班進行鉆眼爆破。

2.3 炮孔間、排距

炮孔間、排距根據裂隙區的半徑來計算,為了使斷層巖石在爆破時能充分松動,炮孔間、排距不能超過爆破在巖體中產生的2 倍裂隙區半徑,否則巖石得不到充分松動,綜采機將無法進行正常切割工作。由于松動爆破的裂隙是爆炸沖擊波和爆生氣體共同作用下形成的,根據爆轟理論和應力波理論,松動爆破裂隙區半徑按公式(1)、(2)確定[5]:

式中:RP為裂隙區半徑；μ為泊松比,μ=0.2；α為應力波衰減值,α= 2-μ/(1-μ)= 1.75；p為應力波初始徑向應力峰值；D1為三級煤礦許用水膠炸藥爆速,取 4 300 m/s；ρ0為裝藥密度,取 1 230 kg/m3；rc為裝藥半徑,藥卷直徑28 mm,rc=0.028/2=0.014 m；n為壓力增大倍數,n=8～ 11,取n=10；rb為炮孔半徑,鉆頭直徑為40 mm,rb=0.040/2=0.020 m；St為巖石抗拉強度,取10 MPa。

將各參數值代入式(1)和式(2),計算得裂隙擴展半徑為RP= 0.421 m。

因此,將炮孔間距、排距均設計為800 mm。按工作面綜采高度2.6 m 布置三排炮孔,其中頂孔距頂板0.6 m,向頂板方向上挑17°；中排孔垂直工作面；底孔距底板0.4 m,向底板方向下俯10°,炮孔布置如圖1所示。

圖1 炮孔布置示意圖

2.4 炮孔裝藥量及裝藥結構

合理的炮孔裝藥量對松動爆破效果起著關鍵性的作用,因為裝藥量的多少直接決定著巖體的破碎程度。裝藥量過少,巖體僅產生微小裂縫,而達不到預想的爆破效果；裝藥量過多,會產生較大的沖擊波,易產生爆破飛石對綜采機設備造成破壞。因此,選擇合理裝藥量應根據爆破效果來進行不斷優化調整。

炮孔裝藥結構分為耦合裝藥與不耦合裝藥兩種。不耦合系數的大小對爆破裂縫擴展范圍也有著明顯的影響:耦合裝藥時,炮孔孔壁直接受到爆炸沖擊波的作用,炸藥產生的能量被大量損耗在巖石破碎上,造成粉碎區半徑過大,裂隙區半徑相應較小；不耦合裝藥時,爆炸沖擊波首先會在炮孔孔壁上發生反射,在增加爆炸沖擊波作用時間的同時,也會削弱爆炸沖擊波的峰值,進而減小粉碎區半徑,增大裂隙區半徑,對松動爆破的效果有一定好處[6]。因此,在松動爆破時,要選擇不耦合裝藥結構。

2.5 爆破網路

爆破網路采用微差爆破技術,要使后起爆的炮孔能充分利用先起爆炮孔形成的自由面。每次可起爆30 個炮孔,既減少爆破次數,又利于提高施工效率。將30 個炮孔電雷管串聯起爆,爆破網路如圖2所示(圖中數字為電雷管段別)。中排炮孔內電雷管段別從中間向兩側依次為1段、1段、3段、3段、4段、4段,頂孔和底孔內電雷管段別從中間向兩側依次為 2段、2段、4段、4段、5段、5段。這種起爆網路優點在于:既在橫排以2 個炮孔為一組實施微差順序爆破,又在豎排3 個炮孔中也實施微差順序爆破,巖塊在爆破過程中相互碰撞和擠壓的作用增大,有利于提高松動爆破效果。

圖2 爆破網路示意圖

3 試驗方案及效果比較分析

目前,該煤礦可提供兩種規格的三級煤礦許用水膠炸藥品種:藥卷直徑32 mm,長度30 cm,單卷質量385 g；藥卷直徑28 mm,長度44 cm,單卷質量295 g。因此,設計兩套試驗方案,采用相同的孔網參數、起爆網路和基本相等炮孔裝藥量,對兩套試驗方案進行跟班試驗,并對爆破效果進行比較分析,最終選擇最優的試驗方案。

方案一:選用藥卷直徑32 mm(粗藥卷),不耦合系數Kd為1.25,單孔裝藥量1 155 g(3 卷)。若采用孔底集中裝藥,封孔長度2 m 左右,封孔部位會出現大塊,甚至可能出現完全沒有松動現象。因此,采用分2段裝藥結構,即炮孔底部先裝2 卷炸藥,然后裝填黏土炮泥至距孔口1.2～1.5 m 時,再裝1 卷炸藥,最后用黏土炮泥堵滿嚴實。裝藥結構如圖3所示。

圖3 方案一的裝藥結構示意圖

方案二:選用藥卷直徑28 mm(細藥卷),不耦合系數Kd為1.43,單孔裝藥量1 180 g(4 卷)。裝藥長度約為1.9 m,封孔長度為1.1 m。裝藥結構如圖4所示。

圖4 方案二的裝藥結構示意圖

爆后經檢查,方案一的爆破效果不理想,巖體裂隙發育較差,孔口有部分巖塊塌落,有個別飛石出現,綜采機切割時有較多大塊且塊度不均。另外,由于采用2段裝藥結構,裝藥工序復雜且耗時長,對生產進度也有較大的影響。

對于方案二,雖然在炮孔孔口封孔段巖石裂隙發育一般,但綜采機切割一刀后巖石開始出現明顯爆破裂隙,破碎的塊度較為均勻,大塊較少。爆破飛石很少或基本無飛石,有效地保護了綜采設備的安全。

通過爆后效果分析比較,試驗方案一不論從裝藥工序繁簡程度,還是爆后效果都明顯不如試驗方案二。因此,確定試驗方案二為該礦區松動爆破輔助綜采工作過斷層的最優方案。

4 結論

經多次爆破試驗證明,試驗方案二中所選用的炮孔布置、炮孔裝藥量、裝藥結構、起爆網路等參數設計比較合理,爆后的效果也比較理想,每次松動爆破后,綜采機均能順利切割三刀,有效地提高了綜采機回采速率,同時也極大地降低了綜采機刀具的損耗,取得了良好的經濟效益,達到了綜采機直接切割過斷層的目的。