綜放面火成巖侵入?yún)^(qū)域松動(dòng)爆破預(yù)裂技術(shù)研究與應(yīng)用

吳曉偉

（同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037003）

1 工作面概況

1.1 8205工作面概況

8205 綜放工作面標(biāo)高位置912～950 m，地面標(biāo)高1 136.4～1 312.1 m，開(kāi)采煤層為15～2 號(hào)煤層，工作面走向長(zhǎng) 1 812 m，煤層水平發(fā)育，傾角 3°～5°，平均4°，煤層最大厚度28.36 m，最小厚度3.8 m，平均厚度13.1 m，含12～19 層夾矸，夾矸厚度為0.1～2.4 m，工作面煤層厚度變化較大，煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，靠近盤(pán)區(qū)巷處煤層最薄為3.8 m，切巷處煤層最厚為28.65 m，煤層大部分受火成巖侵入，硅化變質(zhì)，由東向西，有益煤層逐漸變厚。

1.2 火成巖入侵

8205 綜放面 3～5 號(hào)層回采至 750 m 時(shí)，火成巖床侵入幾乎占據(jù)大部分工作面，巖性為煌斑巖，結(jié)構(gòu)致密，硬度大，機(jī)組割不動(dòng)。火成巖入侵煤的變質(zhì)分為接觸變質(zhì)與區(qū)域熱力變質(zhì)。巖漿侵入了煤層，讓煤質(zhì)變差，灰分增高，粘結(jié)性連續(xù)均勻完整性造成了破壞，而且它的侵入把煤層被分割成了若干塊段，并煤體中形成不規(guī)則的火層巖侵入體，給工作面布置設(shè)計(jì)，采掘活動(dòng)帶來(lái)了很多難題。

2 火成巖煤壁松動(dòng)爆破預(yù)裂技術(shù)

對(duì)煤壁火成巖放震動(dòng)炮，采用對(duì)巖石中打眼用松動(dòng)爆破技術(shù)進(jìn)行施工，確保巖體松動(dòng)后機(jī)組能割動(dòng)，工作面設(shè)備不受損壞。火層巖的松動(dòng)爆破預(yù)列最大限度的利用爆破能量使火層巖裂隙發(fā)育而不發(fā)生爆破拋擲的爆破技術(shù)。在煤礦井下開(kāi)采中，工作面遇到夾石機(jī)組割不動(dòng)時(shí)，通常采用打眼放炮處理，但在實(shí)際施工中，炮眼的數(shù)量、裝藥量有時(shí)掌握不好，容易放炮打壞設(shè)備。而采用松動(dòng)爆破技術(shù)作為采煤方法的輔助工藝，特別適用對(duì)在煤層中含有夾矸帶的開(kāi)采。因此，松動(dòng)爆破技術(shù)對(duì)于8205 工作面開(kāi)采具有重要意義。

2.1 松動(dòng)爆破預(yù)裂原理

煤體或巖休松動(dòng)爆破預(yù)裂的機(jī)理：即孔中的炸藥爆破后，爆轟波會(huì)以一定的速度向各方向迅速傳播。發(fā)生瞬間爆炸氣體立刻會(huì)充滿鉆孔。這時(shí)爆炸氣體的超壓會(huì)作用在煤巖壁上，壓力瞬間會(huì)將達(dá)幾千到幾萬(wàn)兆帕。爆源周圍的煤巖體因受高溫和高壓的力而壓實(shí)。使爆破鉆孔的周圍形成壓應(yīng)力場(chǎng)效應(yīng)。在壓應(yīng)力作用下周圍煤巖體立即發(fā)生壓縮變形，將處于壓應(yīng)力場(chǎng)的煤巖體徑向移動(dòng)。同時(shí)，切向受到拉應(yīng)力的拉伸作用，發(fā)生拉伸形變。而煤巖體抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，所以煤巖體主要破壞形式是拉伸破壞，造成煤巖體徑向方向上多裂隙。其上不同質(zhì)點(diǎn)的位移量與阻力不相同，局部剪應(yīng)力超出煤巖體的最大抗剪強(qiáng)度，造成剪應(yīng)力的剪切破壞，產(chǎn)生徑向剪切多裂隙。爆炸過(guò)程伴隨著高壓、高溫。高溫降低過(guò)程中，受壓縮單元引發(fā)徑向位移并產(chǎn)生向心運(yùn)動(dòng)，這就造成運(yùn)動(dòng)單元受到拉應(yīng)力，產(chǎn)生拉伸破壞。爆破中的煤巖體呈現(xiàn)拉剪破壞，形成拉剪裂隙。此外，爆破轉(zhuǎn)孔期間，鉆孔附近產(chǎn)生破碎區(qū)域和裂隙區(qū)域，破壞了巖體原始應(yīng)力狀態(tài)。鉆孔的開(kāi)挖，使煤巖體原來(lái)三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)，靠近工作面煤壁又處于單向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖降低促使煤巖體抗壓強(qiáng)度大幅降低。在工作面超前支承壓力作用下，增加煤巖體破壞程度，工作面開(kāi)采時(shí)，煤巖體已然松動(dòng)爆破預(yù)裂，強(qiáng)度降低，采煤機(jī)切割過(guò)程中切割阻力降低，切割煤巖體速度增加，起到了松動(dòng)爆破預(yù)裂的效果。

2.2 松動(dòng)爆破預(yù)裂不耦合裝藥

利用軸向或徑向不耦合裝藥，空隙或留設(shè)的空氣柱的存在削減了爆破孔壁上的爆匡峰值，提供孔間臨空聚能空間，可以消減爆破壓力作用對(duì)孔壁的壓剪破壞。爆破孔周邊裂紋及孔間臨空聚能空間，能使孔與孔之間產(chǎn)生應(yīng)力集中，孔與孔之間的周邊裂隙發(fā)育，為爆破后滯后的“高壓氣刃”的切割劈裂形成關(guān)鍵通道，布置爆破孔與孔之間由線到面的裂紋全部貫通，達(dá)到不耦合裝藥預(yù)裂效果。

2.3 松動(dòng)爆破相關(guān)技術(shù)參數(shù)

炸藥卷在火層巖中爆破，根據(jù)破碎巖石的效果分為壓碎、松動(dòng)、震動(dòng)圈。在松動(dòng)圈內(nèi)爆破產(chǎn)的爆破沖擊波和爆生氣體將塊狀或不規(guī)則的結(jié)構(gòu)致密的火層巖體碎裂成裂隙體。

2.3.1 炮孔裝藥量

式中：Q 為每個(gè)炮孔實(shí)際裝藥量，g；e 為主要換算系數(shù)，即爆力系數(shù)，取1.0-1.3；q 為標(biāo)準(zhǔn)條件下爆破每單位體積所需要裝藥量，一般取0.20～0.35 kg/m3；g為炮眼填塞系數(shù)取1.2；l 為炮眼深度，m；w 為最小抵抗線，m；nc為炮眼深度對(duì)炸藥消耗量的影響系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算裝藥量為450 g，火層巖遇水后強(qiáng)度降低，實(shí)際中裝藥量為300 g。

式中：Rp為松動(dòng)爆破直徑；p 為應(yīng)力波初始徑向應(yīng)力峰值，；a 為應(yīng)力波衰減值，；D1為炸藥爆速，m/s；ρ0為炸藥密度，kg/m3；rc、rb分別為藥包和藥眼半徑，mm；st為巖體抗拉強(qiáng)度，MPa；v 為泊松比；n 為壓力增大系數(shù)，8～11。

主要參數(shù)：炸藥爆速4 500～5 000 m/s、炸藥密度為1 100 kg/m3、藥包半徑13.5 mm、藥眼半徑21 mm、巖體抗拉強(qiáng)度4.97 MPa、泊松比0.28。

2.3.2 松動(dòng)爆破范圍

2.3.2.1 最小抵抗線的確定

藥卷在炮孔一定深度內(nèi)自由面爆破，當(dāng)爆破的最小抵抗線大于松動(dòng)圈半徑時(shí)，形成內(nèi)部爆破；當(dāng)最小抵抗線小于松動(dòng)圈半徑時(shí)，形成松動(dòng)爆破。經(jīng)計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用得出松動(dòng)圈的半徑為800 mm 最為合適。

2.3.2.2 炮眼的間距及深廢的確定

炮眼深度綜合考慮爆破效果、炮眼的利用率、施工的機(jī)械和操作技術(shù)水平、施工組織管理等因素。按照本工作面實(shí)際生產(chǎn)推進(jìn)距離為兩刀，截深1.6 m，確定炮眼深度為2.0 m。（炮眼利用率0.85）。若矸石厚度小于1 m，打一排炮孔，間距為0.8 m，若矸石厚度為大于1.0 m 布置2 排炮孔，間距為0.8 m（見(jiàn)圖1，圖 2）。

圖1 不規(guī)則火成巖分布及炮眼布置

圖2 炮眼裝藥示意圖

2.3.2.3 炮泥的優(yōu)化

由于火成巖硬度大，而炮土封口爆破時(shí)容易泄壓，所以我公司采用了井下現(xiàn)拌混泥土替換炮泥，保證了炮孔中的爆破壓力，從而保證了松動(dòng)爆破的效果，同時(shí)也減少了炸藥的用量。

經(jīng)過(guò)研究和試驗(yàn)，采用封孔機(jī)構(gòu)為塑—?jiǎng)偂堋獎(jiǎng)偟姆绞竭M(jìn)行封堵炮孔。孔的前端部分用密度較高的水泥封堵，用于抵抗和反射沿炮孔的爆破應(yīng)力波，同時(shí)又能被動(dòng)產(chǎn)生適量位移，緩沖爆破應(yīng)力波的強(qiáng)度。中部充填了黃土塑性材料，能夠使爆破應(yīng)力波迅速衰減，黃土炮泥自身被壓密實(shí)，提高了炮孔的嚴(yán)密性避免爆破能量的泄露；末端再采用密度較高的水泥進(jìn)行封孔，能夠進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)炮孔的封堵作用，徹底杜絕拔孔現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)也防止出現(xiàn)空氣沖擊波及飛散物危害。

表1 炮眼布置及裝藥量

2.3.2.4 放炮順序優(yōu)化

采用一次拉3 個(gè)炮的方式，分次裝藥，分次爆破，增加爆破輔助自由面，保證了爆破效果。

3 松動(dòng)爆破預(yù)裂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過(guò)在8205 工作面實(shí)施松動(dòng)爆破技術(shù)，確定了最小抵抗線、松動(dòng)圈半徑、炮眼深度、角度、不耦合裝藥的技術(shù)原理和封孔的優(yōu)化。可快速施工炮眼實(shí)施爆破，解決了煤體中火成巖侵入后機(jī)組割不動(dòng)煤的困難，同時(shí)保證工作面設(shè)備安全，加快了回采施工進(jìn)度，確保安全生產(chǎn)。

3.1 應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益

8205 綜放面采用了松動(dòng)爆破預(yù)裂技術(shù)起到了松動(dòng)火層巖的作用，解決了本綜放工作面機(jī)采部分火層巖大面積浸入的難題、有效的減徑了采煤機(jī)的工作強(qiáng)度加快了割煤的速度，保證了礦井的產(chǎn)量。取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。

3.2 松動(dòng)爆破預(yù)裂技術(shù)應(yīng)用的先進(jìn)性

火層巖預(yù)裂爆破技術(shù)是最大限度的利用爆破能量使火層巖裂隙發(fā)育而不發(fā)生爆破拋擲的爆破技術(shù)。采用預(yù)裂爆破技術(shù)作為火層巖侵入工作面的采煤技術(shù)的輔助工藝，特別適用對(duì)在煤層中含有夾矸帶的開(kāi)采。保證礦井產(chǎn)量，保護(hù)了綜采設(shè)備，經(jīng)濟(jì)合理。該項(xiàng)技術(shù)在煤層中有火成巖侵入?yún)^(qū)域和夾矸帶中開(kāi)采在集團(tuán)公司處于領(lǐng)先地位。

3.3 存在的問(wèn)題及推廣應(yīng)用前景

預(yù)裂爆破技術(shù)在實(shí)際使用過(guò)程中，巖體遇到水后強(qiáng)度會(huì)大大降低，需要根據(jù)實(shí)際情況增減藥量，同時(shí)預(yù)裂爆破增大了煤巖體的破碎程度，保護(hù)工作面設(shè)備，滿足機(jī)組能割動(dòng)需求條件。該技術(shù)在石炭系火成巖侵入嚴(yán)重的礦井中有積極推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

從實(shí)踐應(yīng)用效果來(lái)看，該技術(shù)應(yīng)用在預(yù)裂煤壁侵入火成巖的工作面具有較好的效果，松動(dòng)爆破后，火成巖塊度大小均勻，減少二次大塊巖體破碎造成不必要?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，爆破預(yù)裂使堅(jiān)硬巖體破碎，有助于采煤機(jī)直接切割，快速通過(guò)火成巖侵入?yún)^(qū)域，確保工作面進(jìn)尺與安全高效生產(chǎn)。為類似火成巖侵入的工作面提供了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，具有重要參考價(jià)值。