大傾角煤層無人工作面深孔爆破技術研究

韓 亮，劉聚友，彭 瑞

(1.華北科技學院安全工程學院，北京 101601；2.陜西麟北煤業開發有限責任公司，陜西 寶雞 721505)

為解決部分礦區局部大傾角煤層回收問題，提出一種大傾角煤層無人工作面開采工藝。該工藝是在工作面下區段平巷端頭實體煤幫布置鉆孔，平行于工作面打眼爆破，現場人員不進入工作面，工作面內不設支護，煤體爆落后，經引煤裝置扒落至下區段平巷，完成資源的開采。上述環節中，深孔爆破落煤是整個工藝的關鍵，爆破效果及施工效率將直接影響現場的開采能力。然而在實際爆破時發現，利用傳統的深孔爆破技術[1-6]，鉆孔精度低、裝藥速度慢、裝藥難度大，現場操作不當極易造成斷孔、廢孔，處理起來費時費力，施工效率無法滿足生產要求。為保證生產順利進行，必須對大傾角煤層深孔爆破技術進行針對性研究。

1 提高鉆孔精度

1.1 鉆孔偏差原因

鉆孔精度決定了爆破參數能否準確按設計布置，一般來說，衡量鉆孔精度的指標主要有兩個方面：一方面是鉆孔軌跡與設計的偏差，另一方面是鉆孔深度與設計的偏差。

1) 造成鉆孔軌跡偏差的原因。①現場地質條件。大傾角煤層中鉆孔，煤體厚度、硬度、交界面情況、構造等均會對鉆孔軌跡造成影響。地層的非均勻性將導致鉆頭在鉆進過程中不平衡受力，鉆頭傾向于受力較小的一側鉆進。此外，均勻地層中，硬度大、完整性好的地層對鉆頭的約束作用更強，鉆孔精度也更高。②設計鉆孔的深徑比。深徑比指鉆孔深度與孔徑的比值，深徑比越大，鉆孔軌跡偏移量也越大。這是因為鉆孔深度越大，孔徑越小，鉆桿的截面抗彎剛度也越小，鉆進過程中鉆桿的撓曲位移也越大。③工人操作水平。取決于工人操作的熟練程度，如鉆機架設、孔位校正、鉆桿接頭安裝，以及鉆孔偏斜后的處理等。

2) 造成鉆孔深度偏差的原因。鉆孔深度偏差主要表現在實際深度小于設計深度，主要受鉆機功率和扭矩的影響。

1.2 鉆孔糾偏

1) 合理布置炮孔。根據計算得到孔網參數布置炮孔時，需對煤層條件進行綜合考量，若遇夾矸層、構造帶等地層變化區時，應適當調整孔位。

2) 合理設計孔徑及孔深。深徑比越小，鉆孔偏差越小。一般來講，炮孔深度大，孔徑也大。深孔爆破孔徑一般在75 mm以上，但對于爆破塊度要求較高的煤體崩落爆破，孔徑應適當減小，此時就需要相應減小炮孔深度。以本項目為例，孔徑選擇42～50 mm，孔深則控制在30 m以內。

3) 合理選擇鉆機。鉆機功率與扭矩應當與孔深和孔徑相匹配，對于孔深為10～15 m的鉆孔，可選擇輕型氣動手持式鉆機；孔深超過15 m，應改用帶有鉆架和給進機構的鉆機；孔深超過50 m，應選擇全液壓鉆機[7]。

4) 強化現場操作培訓。定期對現場工人進行培訓，尤其在新鉆機、新工藝交接前。由于鉆孔位于下區段平巷端頭處，鉆孔前，需對底板進行適當臥底，鉆機應架設牢固，孔深較大時，還應加配鉆孔定位器、激光定向儀等糾偏裝置。

2 防塌孔措施

2.1 塌孔原因

傳統的深孔爆破技術多應用于切頂、預抽瓦斯等巖體爆破，由于巖體完整性好、強度高，鉆孔后孔壁內巖體可在一定時間內保持穩定，不發生塌孔現象。但在煤層中鉆孔時，煤體完整性差、強度低、裂隙構造發育，突出煤層或沖擊地壓煤層中應力集中系數較高，鉆進將導致鉆孔上方煤體失穩，出現塌孔、掉渣等現象。即使成孔質量較好，在礦山壓力作用下，穩定時間也很難滿足裝藥所需的最短時間。裝藥時，常因炮孔堵塞而造成藥卷裝入困難、裝藥中斷，甚至壓斷傳爆器材，出現盲炮、瞎炮等爆破事故。

2.2 塌孔預防措施

目前常用的處理塌孔的方法包括反復掃孔、注漿、采用三棱鉆桿配合小直徑鉆頭鉆進等[8]，但上述方法耗時、費力，對于整體性、強度尚可的煤層，既不經濟也不實用。

本項目實施過程中，煤體普氏系數約為2，裂隙中等發育，成孔后孔壁有一定自穩時間。因此可考慮采用一定強度的管材對孔壁進行支撐。根據炮孔直徑選擇Φ40或Φ50的PVC管作為套管，由于PVC管具有一定的柔性，可滿足井下現場切割的需要，通過人工送入炮孔。為保證炮孔質量，一個鉆孔施工完畢后，應立即送入套管，送進過程可配合掃風等工序。在套管的保護下，孔壁穩定時間大大延長，同時也保證了孔壁的連續、光滑，為后續裝藥創造了有利條件。該方法在現場使用過程中，效果良好，極大減少了由于塌孔而導致的斷孔、廢孔。

3 深孔裝藥工藝

3.1 深孔裝藥難點

深孔爆破裝藥工藝可分為機械裝藥與手工裝藥兩種。機械裝藥多用于露天礦開采或金屬礦開采，目前已研發了多種型號的裝藥車及風動裝藥器。裝藥車可分為單一裝藥功能的裝藥車和集炸藥原料運輸、炸藥混制、炸藥填裝三項功能于一體的混裝車；風動裝藥器則是利用風壓通過防靜電導管將炸藥壓入炮孔的裝藥設備。機械裝藥具有快速、高效、裝藥質量好的特點，由于煤礦井工開采中涉及到的深孔上行裝藥情況較少，因此機械裝藥還未大規模采用。

手工裝藥則是通過人工將炸藥逐卷送入炮孔，再利用炮棍將炸藥壓入孔底。現場操作中，隨著炮孔深度的增加，裝藥難度也逐漸增大，主要體現在以下幾個方面。

1) 藥包卡塞。煤礦井工開采所使用的炸藥均為柔性藥卷，在藥包送入炮孔過程中，會受到孔內煤巖渣、凹凸孔壁的阻擋，由于炮孔不光滑，藥包很容易在孔內卡塞。本項目中，已通過炮孔內壓入套管解決該問題。

2) 藥包重量大導致送入困難。深孔爆破時，炮孔通常較深，考慮到鉆孔吐粉，本項目裝藥孔盡量設置在下區段平巷，因此，裝藥過程中隨著藥包的增加，重量也越來越大，藥包在套管中容易下滑，無法固定，給藥包的送入帶來很大困難，導致孔底附近的藥包常常無法安設到位。

3) 無法實現不連續裝藥。孔徑較大時，為滿足炸藥能量在煤體內均勻分布，或者部分炮孔的裝藥參數調整時，常常采用不連續裝藥方式，對于上行裝藥的深孔而言很難實現。

3.2 上行裝藥爆破筒設計

為解決深孔上行裝藥難題，本項目設計了一種能夠滿足藥包在炮孔內自穩的裝藥爆破筒,如圖1所示。

圖1 上行裝藥爆破筒設計示意圖

爆破筒采用PVC管材加工而成，其直徑與炮孔或套管直徑相匹配，單節長度應能裝入2卷炸藥(800 mm，根據現場試驗確定，綜合考慮鉆桿長度，太長易在折點發生堵塞)。爆破筒上端封口，下端敞口，封口中心開一個小孔，以便傳爆引線出入。兩端分別車內外螺紋，方便爆破筒聯接。爆破筒外部根據實際情況安設一定數量的倒刺。

裝藥前，鉆孔已壓入套管，因此可保證孔壁光滑無異物，裝藥時按設計藥量將藥包裝入爆破筒，在孔口通過炮棍將其依次頂入孔內，在倒刺的作用下，前部藥包可在孔內自固定，同時通過螺紋聯接將新送爆破筒吊起，大大減輕了孔口裝藥人員的裝藥難度。爆破筒外部倒刺可根據炸藥重量間隔設置。當裝藥方式為不連續裝藥時，可根據裝藥結構圖在不連續位置接入空爆破筒即可。

現場應用過程中，在壓入套管后，爆破筒裝藥效率大幅提高，同時由于減輕了孔口藥包重量，炮棍剛度較之前也可降低，可采用具有一定柔性、質量較輕的材質。

4 現場應用

4.1 試驗工作面深孔爆破設計

試驗工作面設計走向長461.5 m，斜長約30 m，煤厚4～4.5 m，主采9號煤層，煤層傾角為30°，節理裂隙不發育，分上分層和下分層，中部為砂巖夾矸，厚0.15～0.60 m，上分層厚度平均1.2 m，煤層有益厚度3.50 m，總體厚度4.25 m。

根據計算得到的爆破參數，同時考慮爆后松散煤體不至于充滿巷道導致放煤或通風不暢，試驗初期，沿煤層走向單次爆破循環距離暫定1 m。從鉆孔準確性及裝藥難易程度上考慮，炮孔布置方案為：從上區段及下區段平巷分別向各自實體煤側打對穿炮孔，上下區段平巷同時起爆。爆破設計參數見表1。

表1 裝藥量計算參考值

圖2為上下區段平巷沿煤層傾向炮孔布置圖。上下區段平巷各布置3個炮孔，由表1可知孔距為1.2 m。為避免爆破對頂板的破壞，同時考慮到底板的夾制作用，按照最上方炮孔與頂板距離不小于1.2 m，最下方炮孔與底板距離不大于1 m進行設計。已知煤層傾角為30°，通過余弦定理可確定炮孔在煤壁縱向的位置。

圖2 上下區段平巷沿煤層傾向炮孔布置圖

圖3為下區段平巷沿煤層走向炮孔布置圖。由表1可知抵抗線為1 m，由此可確定炮孔與工作面煤壁的距離。上區段平巷類比即可。

圖3 下區段平巷沿煤層走向炮孔布置圖

4.2 深孔爆破技術應用效果

1) 鉆孔糾偏。根據現有地質素描圖，在炮孔設計時，有意避開夾矸層；考慮到鉆孔直徑為42 mm，盡量減小孔深，最終確定上下區段平巷同時鉆孔，孔深控制在15 m；鉆機選用ZQJL-802.0S氣動架柱式鉆機，功率及扭矩完全滿足現場要求；施工前對現場進行技術交底，對操作人員進行培訓，對鉆孔情況實施閉合跟蹤。采取針對性措施后，現場鉆孔效率由之前5 h/孔提高至2.67 h/孔，根據裝藥效率及爆破后剩余煤體情況反饋，鉆孔基本順直，成空質量大幅提高。

2) 防塌孔。采用防靜電PPR管材作為套管，外徑40 mm，內徑約32 mm，此管材具有合適的剛度和柔性，適于彎曲便于井下運輸。鉆孔施工完畢后，立即將套管送入鉆孔，并配合掃風、清孔等相關工作，孔外留設20 cm截斷。從現場使用情況來看，人工送入套管簡單、易行，現場裝藥過程中，各鉆孔光滑連續，未發現一例塌孔情況。

3) 深孔裝藥。根據爆破設計，現場為連續裝藥，單孔藥量為9.6 kg，使用的T-320水膠炸藥藥卷長度為400 mm，單卷質量0.32 kg，即每孔需裝藥卷30卷。上區段平巷炮孔裝藥相對容易，下區段平巷炮孔裝藥難度較大。在不使用輔助工具情況下，當裝至20卷藥卷時，隨著藥卷重量的增加，裝藥效率顯著降低。此時，可裝入設計好的爆破筒，在倒刺的支撐作用下，爆破筒可承擔上覆藥卷的重量，此后，根據裝藥難易程度可每隔一定藥卷安設爆破筒，遞進裝藥，也可以對剩余藥卷全部使用爆破筒裝藥。從現場裝藥情況來看，采用爆破筒輔助裝藥后，裝藥難度大為降低，效率顯著提高。

5 結 論

1) 通過現場試驗，系統研究了大傾角煤層無人工作面深孔爆破技術，提出了包含鉆孔糾偏、防塌孔及深孔裝藥的成套工藝。

2) 經現場應用，大傾角煤層無人工作面深孔爆破技術可有效提高爆破施工進度，大大減小了實際執行過程中與原設計間的偏差，對于大傾角煤層無人工作面開采工藝起到了積極的推動作用。