特厚煤層頂煤深孔預裂爆破技術研究

魏天樂

(河南能源化工集團新疆公司 永寧煤化潘津工業煤礦，新疆 伊寧 835000)

目前我國大多數特厚煤層開采均采用綜采放頂煤開采技術，相對于厚煤層分層開采，該技術生產能力大、生產效率高，能顯著提高經濟效益，放頂煤開采成功的關鍵在于頂煤的冒放性，對于冒放性較差的頂煤需要采取一定的措施來弱化頂煤，提高其冒放性。當前頂煤弱化處理的技術主要包括深孔預裂爆破和煤層注水弱化。深孔預裂爆破弱化頂煤是通過爆破的手段來破碎頂煤，其炮孔間距、鉆孔深度、裝藥量及裝藥結構等爆破參數都對預裂爆破的效果產生影響。因此，選擇合理的爆破參數及爆破方案對頂煤弱化效果至關重要。本文結合潘津煤礦23-25號特厚煤層的工程地質情況，采用理論分析、數值模擬的手段等對頂煤弱化深孔爆破參數進行研究，促進該礦的安全、高效生產。

1 工程概況

潘津煤礦二采區23-25號煤層為淺埋特厚煤層，煤層厚度12.49～20.87 m，平均厚度17.03 m，該煤層采用放頂煤開采一次采全厚技術，采高為2.8 m。根據潘津煤礦23-25號煤層賦存條件可知，該煤層結構簡單，煤層內有1～6層夾矸，絕大部分區域夾矸2層，厚度均為0.3 m左右；多賦存于煤層上部，即距離支架較遠；夾矸的巖性多為泥巖、炭質泥巖、炭質砂巖，強度大于煤層，屬于軟弱巖層。潘津煤礦23-25號煤層結構如圖1所示。雖然整體上看，23-25號煤層頂煤基本上能隨采隨冒，冒放性較好；但為了進一步提高頂煤放出率，避免過大的頂煤厚度在礦山壓力及支架反復支撐作用下不能及時破碎冒落，或破碎塊度太大，結合潘津煤礦23-25號特厚煤層當前的開采條件及現場實際開采情況，擬采用深空預裂爆破技術弱化頂煤，提高頂煤破碎程度，進一步提高厚頂煤的冒放性，避免頂板安全事故。本文基于潘津煤礦的煤層地質條件、煤體的力學特性等對頂煤弱化深孔爆破參數進行研究，制定合理的爆破方案。

圖1 潘津煤礦23-25號煤層結構示意Fig.1 Structural diagram of No. 23-25 coal seam in Panjin Coal Mine

2 頂煤深孔預裂爆破參數研究

2.1 深孔預裂爆破原理及爆破分區計算

煤體在爆破作用下的破壞實質上是爆破應力波與爆生氣體的共同作用結果[1]；藥包起爆后，炮孔壁煤體在爆轟產物的沖擊下壓裂，形成空腔；之后沖擊波衰減為應力波，當其壓力值低于煤體的抗壓強度時，煤體不在被壓縮破壞，而是在應力波拉應力作用下產生拉伸破壞，形成初始徑向裂隙；基于巖石斷裂力學[2]可知，在應力波的持續作用下，當裂紋尖端的動態應力強度因子大于其斷裂韌度時，初始裂紋擴展。爆生氣體的作用滯后于應力波的作用，但作用時間更長；爆生氣體在巖石內部形成準靜壓力場[3]，在其壓力作用下裂紋進一步擴展，直到裂紋尖端的應力強度因子小于其巖體的斷裂韌度時，裂紋止裂。之后應力波衰減為彈性地震波，僅對煤體產生擾動。

在不耦合裝藥條件下，爆破壓碎區的半徑為[4]：

(1)

裂隙區半徑為：

(2)

彈性震動區半徑可按式(3)估算：

(3)

式中，Rs為彈性震動區半徑；q為單位體積頂煤爆破裝藥量。

2.2 深孔預裂爆破參數選取

(1)炸藥的選取。為使平均14 m厚頂煤達到充分預裂的效果，應選用高威力炸藥；為避免爆炸近區形成較大的破碎區，減小爆破能量的消耗，增大裂隙區半徑，提高裂隙區應力波能量，延長作用時間，在保證炸藥威力的前提下，應選用猛度較低的炸藥。因此，選用二級煤礦許用乳化炸藥。該炸藥的密度為1 000 kg/m3，炸藥爆速為3 600 m/s。

(2)炮孔參數與不耦合系數的確定。徑向不耦合裝藥時，由于藥包與孔壁間空氣(或水)的存在，爆炸沖擊波和爆生氣體不直接作用于孔壁，而是先對空氣介質進行壓縮，再由空氣介質向巖石中傳遞爆炸能量；降低了沖擊波峰值，孔壁能量分布更均勻，減小了壓碎區及近區裂紋數，延長了爆生氣體的準靜態作用時間，使裂紋進一步擴展。根據前人的理論分析以及研究結果[5]，同時考慮到導爆索的影響，K=1.2～1.3比較合理，最終的取值通過數值分析確定。

(3)封孔及炮孔裝藥結構。封孔長度影響著裝藥爆炸的作用效果，當封孔長度太短時，由于炸藥破壞能力大于煤體抗爆力而容易產生拋擲漏斗，甚至發生沖炮現象；當封孔長度過長時，炸藥的破壞能力小于煤體抗爆力，產生爆破威力不足，難以達到較好的預裂效果。因此需要確定合理的封孔長度與裝藥長度，一般情況下為20%～35%。

(4)起爆方式。為防止深孔預裂爆破拒爆、殉爆的發生，提高爆破效果，采用孔底反向起爆，同時采用雙電雷管引爆導爆索、導爆索再引爆炸藥的引爆方式；爆破采用一次裝藥，分段毫秒延時爆破。

2.3 深孔預裂爆破參數數值分析

為選擇合理的徑向不耦合系數及封孔長度，采用通用非線性動力分析軟件LS_DYNA研究不耦合系數、封孔長度對深孔預裂爆破效果的影響。爆破模擬采用任意拉格朗日—歐拉(ALE)算法，單孔臺階爆破數值建模過程中，分別建立炸藥、煤體、黃土(堵塞物質)、以及空氣的準二維實體模型[6]，模型尺寸為700～1 000 cm，為簡化計算模型，模型中炮孔長度取500 mm；模型四周采用無反射邊界條件。煤體采用lagrange算法，炸藥、空氣、堵塞物質采用多物質ALE算法，通過流固耦合定義炸藥和煤體的接觸關系；模擬中采用HJC模型[7]來模擬煤體爆破過程，煤體的力學參數為：密度為1 280 kg/m3，煤體中的聲速為2 100 m/s，泊松比為0.325 6，單軸抗壓強度為13.305 2 MPa、單軸抗拉強度為0.875 4 MPa。模擬中藥包采用多點起爆、底部起爆的方式。數值模擬方案見表1。

表1 爆破數值分析方案Tab.1 Analysis scheme of blasting numerical

各爆破方案煤體損傷如圖2所示，通過方案1與其他方案對比發現，由于采用不耦合裝藥，煤體爆破損傷區域明顯增大，說明不耦合裝藥能有效利用爆炸能量，提高爆破的效果。

對比方案2、方案3及方案4，可以看出雖然總的煤體損傷區域沒有明顯改變，但隨著封孔長度的增加，煤體損傷度D大于90%的紅色區域(可近似看作煤體的壓碎區)面積減小，與方案2相比，方案3壓碎區范圍減少較少，但方案4壓碎區范圍減少明顯；炮孔封孔段煤體損傷程度較小，且封孔長度越大，其低損傷區域面積越大；因此為了充分利用爆炸能量，又不影響孔底段煤體的預裂效果，綜上選取封孔系數為0.25。圖3為方案2、方案5及方案6炮孔壁測點的壓力時程曲線，測點位置均為炮孔中段孔壁，從圖中可以看出，不同方案炮孔壁的壓力變化趨勢相同，但隨著不耦合系數的增大，炮孔壁受到的爆炸壓力峰值載荷不斷減小；從圖2中發現，隨著不耦合系數的增大，煤體壓碎區的面積不斷減小，但由于方案2和方案3所選不耦合系數較為接近，導致煤體總的損傷區域變化不明顯，但方案6的損傷區域有明顯減小，這是由于爆炸能量過多地消耗在氣體上，影響裂隙發育；綜上選擇不耦合系數為1.25。

圖3 炮孔壁測點壓力時程曲線Fig.3 Pressure time history curve of borehole wall measuring point

2.4 深孔預裂爆破參數確定

根據潘津煤礦23-25號煤層地質條件、煤體力學特性及數值分析結果，確定藥包直徑50 mm，理論計算炮孔直徑為62.5 mm，實際取62 mm，藥包規格為50 mm×580 mm；軸向無空氣柱，取le=1.0，封孔系數選取0.25。并將以上參數代入式(1)—式(2)，計算得到爆破下頂煤破碎區半徑、裂隙區半徑分別為0.836 4、3.942 6 m，彈性震動區半徑約5.6 m。裂隙區范圍內的煤體破碎效果即可滿足頂煤達到預裂的目的，即取裂隙區半徑為頂煤爆破有效破壞半徑等；結合超前支承壓力的影響，并考慮鉆孔平行布置，取炮孔間距為8 m。裝藥結構如圖4所示。

圖4 裝藥結構Fig.4 Charge structure diagram

3 頂煤預裂爆破方案

深孔頂煤爆破預裂卸壓的關鍵在于通過爆炸產生的應力波動態效應和爆生氣體的“氣楔”作用，使頂煤產生預裂隙，并非崩落煤體，而是破壞其整體連續性、高應力及能量積聚和連續傳遞的條件，同時隨著工作面的推進，使頂煤在超前支承壓力及支架初撐力作用下能及時冒落，達到提高頂煤破碎度、減小頂煤冒落塊度的目的。為此，鉆孔施工位置應布置于工作面前方超前支承壓力影響范圍內，并根據周期來壓的頂板監測預警結果，合理適時選擇爆破時機。本文在此提出了兩巷超前預裂深孔爆破的頂煤預裂方案，該方案巷道掘進量少，對頂煤爆破效果好。

兩巷超前深孔預裂爆破鉆孔布置平剖面如圖5所示。為避免打鉆作業與兩巷運煤運料作業相互干擾，同時為方便鉆孔以更好的角度進入頂煤當中，提高爆破效果，設計了兩巷頂煤鉆場，如圖5(b)所示，在每段來壓區域，提前向兩巷煤壁側頂煤內部掘鉆場硐室，在鉆場硐室內進行預裂爆破鉆孔的施工作業。此外，當現場施工困難、工程量較大、兩巷運輸作業與鉆孔爆破作業干擾較小時，可進一步簡化爆破鉆孔布置方式，采用直接在巷幫進行打孔作業的方式，如圖5(c)所示，普通鉆場對鉆孔施工質量與裝藥封孔質量要求較高，實施過程中要精確控制鉆孔角度、長度、裝藥位置、封孔長度等參數。兩巷超前深孔預裂爆破措施采用雙側底層巷布孔法布置，沿工作面推進方向孔間距為8 m，每個鉆場布置3個炮孔，炮孔參數見表2。

圖5 兩巷超前深孔預裂爆破鉆孔布置Fig.5 Layout of two roaday advanced deep hole presplitting blasting drilling

表2 炮孔爆破措施主要參數Tab.2 Main parameters of blast hole blasting measures

4 爆破現場監測

在潘津煤礦2301綜放工作面應用設計的爆破方案后，為了觀察頂煤爆破后的弱化效果，在工作面回風巷布置了位移實測鉆孔，測點的布置如圖6所示。在工作面回風巷道的預裂爆破區和未爆破區內打了不同高度的 4 個鉆孔，在鉆孔內裝入位移傳感器。在工作面的采動過程中，觀測記錄頂煤的位移變化，各測點頂煤位移量如圖7所示，從圖7可以發現，爆破弱壞頂煤以后，隨著工作面的推進，頂煤的位移量大于未爆破區，冒落的效果明顯好于未爆破區；說明深孔預裂爆破能有效地弱化頂板。

圖6 位移監測點Fig.6 Displacement monitoring points

圖7 不同測點頂煤位移量Fig.7 Displacement of top coal at different measuring points

頂板弱化之后，采用一刀一放雙輪間隔放煤、放煤步距0.6 m的采放工藝。在現有設備情況下，采高3 m、長90 m工作面的特厚煤層綜放開采當中，采用頂煤深孔預裂爆破、采放工藝優化、減少初末采及端頭損失等措施，采區采出率統計后可以達到了82.5%，滿足《煤礦安全規程》對厚煤層采出率達到75%的要求。

5 結論

(1)本文以潘津煤礦二采區23-25號煤層具體工程地質條件為背景，為了使厚14 m的頂煤充分冒落，進一步提高頂煤放出率，提出采用深孔預裂爆破的方式來弱化頂煤。

(2)基于前人的研究，分析了深孔預裂爆破的原理及爆破作用下煤體的分區特性，對深孔預裂爆破參數進行了合理的優化，并利用ANSYS_LSDYNA數值分析軟件分析了不耦合系數及封孔系數對煤體爆破損傷的影響，確定不耦合系數為1.25，封孔系數為0.25；依據最終確定的參數計算得到爆破下頂煤破碎區半徑、裂隙區半徑分別為0.836 4、3.942 6 m，彈性震動區半徑約5.6 m，并確定炮孔間距為8 m。

(3)提出了兩巷超前預裂深孔爆破的頂煤預裂方案，為避免鉆孔施工與輔運巷道相互干擾，提高鉆孔作業的效率，設計了兩巷頂煤鉆場；而在現場施工困難、工程量較大時仍然使用普通鉆場，并給出了具體的炮孔布置參數。在現場工程實踐中，對頂煤位移進行監測，發現爆破區頂煤的位移明顯增大，冒落效果好。

(4)礦山通過深孔預裂爆破頂煤弱化技術，使綜放工作面的煤炭采出率達到了82.5%，并且有效地預防了頂板災害的發生，為企業帶來經濟利益的同時，促進了礦山的安全、高效生產。