煤礦爆破技術應用現狀梳理及展望

逄錦倫

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037;2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037)

隨著技術的發展,爆破技術在煤礦開采過程的參與度越來越低。 炮采技術因其效率低逐漸被高效率的綜采技術取代,但在遇到地質構造發育時的巷道掘進[1-4]或特殊地質條件下的露天煤礦開采[5-7]時,機械化設備難以發揮其優勢,此時利用爆破掘進或開采技術則能起到優于機械化掘進的效果,因此,煤礦爆破技術在一段時期內仍將發揮重要作用。

厘清煤礦爆破技術的應用現狀,對充分發揮煤礦爆破技術的優勢具有重要意義。 鑒于此,筆者對煤礦爆破應用技術進行了系統的梳理,重點闡述相應技術在煤礦爆破中應用的特點,并指出下一步的研究方向,旨在為相關煤礦從業人員選擇適宜的爆破技術提供參考。

1 煤礦井下爆破技術

1.1 巷道爆破掘進

巖巷在爆破掘進時,常采用毫秒微差爆破技術,將炮眼分組并按毫秒級的時間間隔順序起爆,可實現全斷面一次起爆。 使用毫秒延期雷管[8],以毫秒級時間間隔順序起爆相鄰藥包,各藥包的爆炸能量相互影響,爆破效果疊加,效果較好,同時可降低爆破振動。

1)硬巖巷道爆破掘進

硬巖巷道的巖石硬度系數f≥12,巖石過硬。掘進爆破時只能使用爆炸威力相對較小的煤礦許用安全炸藥,同時雷管的總延遲時間≤130 ms。 掏槽是巷道爆破掘進技術的難點,主要采用楔形掏槽。 楔形掏槽的形式包括單楔形、雙楔形和三楔形;還可以采用中心孔加強往外拋矸的形式以便于槽頂部巖石掏出[9]。

2)中硬巖巷道爆破掘進

中硬巖巷道的巖石硬度系數f=8 ～12。 巷道爆破掘進采用以中深孔爆破和直眼掏槽爆破為主的控制爆破方法,單循環掘進深度可達1.8 ～2.0 m。控制超挖是巷道爆破掘進技術的難點,常采用光面爆破和預裂爆破技術控制超挖[9]。

①光面爆破技術。 將光面爆破與錨噴支護技術相結合,應用于中硬巖巷道掘進。 通過交錯形式布置2 圈周邊眼,用內圈周邊眼代替輔助眼;自下而上的順序起爆炮眼,交替連接內外圈周邊眼,并裝設不同段數的雷管,使之交替起爆;采用反向起爆方式。

②預裂爆破技術。 周邊眼先起爆,預先提供沿斷面輪廓的貫通破裂面,形成預裂面。 預裂爆破技術能保證圍巖的穩定,不會受周邊炸藥爆炸的影響,以及其他炮眼的應力作用,預裂爆破參數類似于普通光面爆破的參數。

3)軟巖巷道爆破掘進

軟巖巷道的巖石硬度系數f≤8,爆破掘進技術和中硬巖巷道爆破掘進條件下的技術類似,主要采用中深孔光面爆破技術。 需采用低密度、低爆速、高效能炸藥并嚴格控制炸藥的裝藥量,選擇合理的光面爆破參數和光面爆破裝藥結構[9]。

4)聚能爆破掘進

普通爆破的爆轟產物會向炮孔的四周無規則飛散,產生的裂紋也隨之無規則擴展。 而聚能爆破利用空穴效應,通過改變藥卷結構,使得爆轟產物向特定方向積聚,可加大在特定方向上的破壞作用。 在藥卷的兩側對稱位置設置聚能空穴,爆破產生的爆轟產物將沿此空穴的軸線方向積聚,形成一股高密度、高速度、高壓力的氣流,稱為聚能射流。如果在空穴上安裝紫銅材料制作的金屬罩,借助其密度大、可壓縮性小的特點,爆破后能將爆炸能量轉化為動能形成金屬聚能射流。 聚能射流在爆破孔邊緣切割出初始的導向切縫,為后續的爆炸應力波以及爆生氣體進一步擴展裂隙起到定向的作用[10]。

聚能爆破技術可以使裂紋演化的能力在聚能方向上被提高,而非聚能方向上被有效降低,減小了支護圍巖被損傷破壞的程度;爆破效率、炮孔利用率皆被提高,爆破后形成的圍巖輪廓斷面較平整,超欠挖率有效降低。 在地質構造帶內掘進巷道時,可有效抑制巷道圍巖失穩或動力災害的發生。

1.2 巖石松動爆破

松動爆破技術是利用爆炸能量破壞巖體內部并發育大量裂隙使得巖體變得松動,但并不會發生碎石拋擲現象。 爆破后會以藥包為中心形成粉碎區、裂隙區、彈性振動區3 個不同距離的破壞區域。對斷層巖體進行預先松動爆破,能夠確保煤層頂、底板結構的穩定,實現綜采機順利、快速、安全高效地通過斷層,工作面的回采效率和煤炭資源采出率均會提高[11]。 對落差不太大的斷層,一般采用松動爆破技術輔助綜采機強行推過斷層的方法,可選用煤礦許用水膠炸藥,1 ～5 段煤礦許用毫秒延期電雷管。

1.3 煤層泄壓爆破

通過鉆機將相變致裂裝置送至鉆孔中預先設定的位置,并將內置導線與鉆孔外的起爆線相連。通過起爆器的起爆頭爆破,使得發熱管產生熱量,并使儲液管內的液態二氧化碳能在20 ms 內由液態轉化為氣態,體積瞬間膨脹為原來的600 余倍,氣體壓力急劇升高,最高可達270 MPa。 氣態二氧化碳的壓力上升并達到泄能片的額定工作壓力時,泄能片在瞬間被沖破,氣態二氧化碳通過釋放筒上的定向孔高速向外釋放,對作用范圍內的煤體施加巨大的沖擊力,使煤層中原有的裂隙進一步被擴大、貫通,有效改善了煤層的透氣性。 煤層的透氣性增大使得大量的瓦斯由吸附態解吸為游離態,可以提高瓦斯抽采效率,煤層中的瓦斯大量被抽排可以實現煤層快速卸壓的目的[12-14]。

1.4 頂板爆破

1)液態二氧化碳相變致裂頂板

煤層中的堅硬頂板極難垮落,可能造成工作面臨空側超前支護段巷道的嚴重變形,可通過液態二氧化碳致裂技術爆破致裂堅硬頂板。 利用液態二氧化碳致裂堅硬頂板,其最大的優點是不會產生炸藥爆炸時產生的有毒有害氣體,不會產生構造性破壞。

2)切頂爆破

受煤層采動以及采場上覆巖層活動的影響,特別是側向頂板巖層的破斷影響,回采巷道或護巷煤柱會發生較大變形。 通過布置合理的鉆孔,爆破應力波和爆生氣體將鉆孔周圍巖體破碎,因產生大量貫通的裂隙則爆破區域頂板被局部弱化。 工作面回采后,頂板會沿爆破線斷裂[16],實現頂板安全管理。

2 常規露天煤礦爆破

2.1 常規露天煤礦爆破技術

露天煤礦爆破時炸藥的波阻抗應與所爆破巖石的波阻抗相匹配[17]。

通過微差擠壓爆破,利用巖體間的擠壓作用提高爆破質量。 微差擠壓爆破具有爆破量大、破碎塊度均勻、大塊率低的特點,可提高電鏟采裝效率;爆堆集中,無須清理出臺階即可實現穿孔作業。

2.2 非構造裂隙巖體條件下的露天煤礦爆破技術

根據爆破作用線核心理論[18],主要爆破作用區域內的爆破巖體受節理、裂隙影響,區域內炮孔連線為爆破作用線,該線上的炮孔都會受到多個鄰近炮孔先期爆炸形成的破裂面的影響,破裂面成為巖體內的側向自由面。 爆破作用線上的炮孔產生的氣體在側向自由面產生的反射拉伸波將徑向拉應力施加于后爆巖體,使其再次產生環向裂縫,可增強爆破效果,也可增強非構造裂隙巖體的破碎作用。

3 結語及展望

通過調研并梳理了不同爆破技術適宜的應用領域,結果表明:煤礦爆破技術應用于不同硬度、不同地質條件下巖巷的掘進時可以彌補綜掘技術的不足,實現特殊條件下巖巷的快速炮掘;二氧化碳相變致裂技術應用于煤層致裂、卸壓時,可以實現煤層的增透,利于煤層氣的抽采;炸藥爆破或二氧化碳相變致裂技術應用于頂板致裂時,可以實現頂板的安全管理,利于巷道的維護;煤礦爆破技術應用于常規及非構造裂隙巖體條件下的露天煤礦開采時,可以實現較好的爆破與巖石拋擲效果,利于露天煤礦的開采。

后續的研究可以聚焦于提升炸藥、電雷管等器材的安全性和可靠性,以滿足含瓦斯環境下炸藥爆破技術的應用;提升二氧化碳相變致裂技術的安全性和操作性,降低其使用成本,以滿足含瓦斯環境下二氧化碳相變致裂技術的應用。 隨著煤礦爆破技術的發展,其適用范圍還將擴大,在未來一段時期仍將會發揮重要作用。