億欣煤業綜采工作面塊煤率提升技術研究

牛剛強

（山西晉能控股煤業集團晉圣億欣煤業，山西 晉城 048200）

1 工程概況

億欣煤業位于晉城市沁水縣龍港鎮堯都村，主采15#煤層為無煙煤，煤層厚度為2.58～3.6 m，平均厚度2.82 m，煤層中含1～2層夾石，全區穩定可采，煤層傾角為2°～10°，平均4°。15#煤層直接頂為K2石灰巖，厚度平均7.8 m；老頂為泥巖，厚度平均1.9 m；直接底為泥巖，厚度平均1.2 m；老底為砂質泥巖，厚度平均5.5 m。

2 提高塊煤率技術方案設計

億欣煤業15#煤層為價值較高的無煙煤，提高塊煤率[1-4]可大幅提升礦井的經濟效益。以現有研究成果，綜合考慮億欣煤業煤層賦存條件，共提出兩種方案用于提高工作面塊煤率。方案一：采用淺孔爆破的方式對工作面煤壁進行弱化爆破；方案二：采用深孔爆破的方式對超前工作面進行爆破弱化。

2.1 工作面煤壁爆破弱化方案設計

（1）炮眼直徑及深度

根據煤體松動爆破理論，爆破孔深度一般為采煤機截割深度的3～4倍。綜合考慮億欣煤業井下放炮爆破效果，工作面煤壁爆破孔深度設計為2.6 m，半徑取21 mm，采用不耦合裝藥的方式進行松動爆破。

（2）炮眼布置間距

淺孔爆破后煤體裂隙區半徑可由下式計算：

式中：μD為煤體泊松比，0.36；ρs為炸藥包密度，1020 kg/m3，D為炸藥包爆速，3260 m/s；rc為炸藥包半徑，16 mm；rb為爆破孔半徑，21 mm；n為炸藥包爆破時壓力速增系數，10；σt為煤體抗拉強度，4.5 MPa。

計算可得RP=1175 mm。根據爆破孔間距設計原則，應小于相鄰爆破孔爆破后形成的裂隙區范圍，因此炮眼間距設計為1.0～1.5 m。考慮到億欣煤業15#煤層厚度較大，平均厚度為2.82 m，為保證爆破效果，設計布置兩排炮孔。

（3）炮孔布置方式

參考相鄰工作面煤體爆破效果，發現將爆破孔布置為矩形時爆破效果較好，更利于提升煤炭塊煤率。如圖1所示，在試驗工作面XV2301工作面端頭煤壁處布置兩排爆破孔，上排炮孔布置在距離頂板0.8～1.0 m位置，與水平面夾角呈3°～5°俯角打孔，下排炮孔布置在距離底板巖層1.0～1.5 m位置，與水平面夾角呈3°～5°仰角打孔，水平傾斜75°，兩排炮孔間距約為1.0～1.2 m，炮孔深度設計為2.6 m。

圖1 炮眼布置示意圖（m）

（4）爆破方式

為保證塊煤率，提升松動爆破效果，設計采用分段微差爆破，分段間距設計為6～10 m。這樣可以降低炸藥包爆破時沖擊波對煤體的沖擊強度，降低煤體的拋擲距離，而且爆破后兩排炮孔的爆轟波可以形成疊加效果，從而提升爆破效果，減少炸藥的使用量，實現更高的經濟效益。

2.2 超前工作面爆破方案設計

（1）爆破孔深度

億欣煤業XV2301工作面傾向長度為150 m，如果將超前爆破孔布置在回采巷道，則爆破孔深度為110 m，不僅施工工程量大，且施工難度較高，不易保證爆破效果。如果在工作面中部布置一條專用巷道，然后向專用巷道兩側布置爆破孔，則爆破孔深度為55 m。綜合考慮施工的難易程度及爆破效果，設計在工作面中間位置布置一條專用巷道，然后在巷道兩邊布置55 m的爆破鉆孔。

（2）爆破孔間距

當采用深孔爆破時，爆破孔裂隙區半徑可由下式計算：

式中：B為修正系數，3.85；σR為分界面徑向應力，4.5 MPa；k為裝藥的不耦合系數，1.562 5；γ為炸藥包爆破后的膨脹絕熱系數，3；le為裝藥軸向系數，0.047；σc為煤體單軸抗壓強度，4.5 MPa。

計算可得RP'=4175 mm。根據爆破孔間距設計原則，應小于相鄰爆破孔爆破后形成的裂隙區范圍，因此炮眼間距設計為4～6 m。

（3）爆破孔布置

億欣煤業現有礦壓監測數據顯示，回采15#煤層的工作面，超前支承壓力峰值基本處于工作面前方5～10 m范圍內，工作面前方35 m范圍基本都受超前支承壓力的影響。因此，應在試驗工作面XV2301工作面前方40 m位置布置超前弱化爆破孔，利用電雷管和安全導爆索進行超前弱化爆破，爆破方式采用正向起爆。為了避免超前弱化爆破損壞回采巷道圍巖，爆破孔的終孔位置應與回采巷道間留設不小于15 m的間距。

工作面超前弱化爆破孔布置方式如圖2，在工作面中間位置布置一條專用巷道，通過專用巷向兩側施工爆破孔，爆破孔長度設計為55 m，采用三花眼方式進行布置，爆破孔列間距設計為4～6 m，排間距設計為1.5～2.0 m，具體數值可根據現場條件及施工難度進行適當調整。共布置兩排爆破孔，上部爆破孔布置在距工作面頂板1.0 m位置，為垂直煤壁施工，下部爆破孔布置在距工作面底板0.8 m位置，水平方向煤壁傾斜75°。

圖2 超前工作面弱化爆破孔布置示意圖（m）

3 工業性試驗

選取XV2301工作面及XV2303工作面為試驗工作面，對兩種方案進行現場試驗。在試驗過程中，采煤機割煤時，在工作面兩端及中部分別隨機取10個煤樣，為保證測試的準確性，在工作面回采過程中，共取樣6次，即在工作面兩端及中部各取60個煤樣，共取樣180個。兩種試驗方案井下塊煤率分別見表1和表2。

表1 試驗方案一塊煤率

表2 試驗方案二塊煤率

根據以往的工程經驗，在回采15#煤層時，如不采取任何措施，則平均塊煤率約為17.6%，采取方案一時，塊煤率為22.8%，塊煤率提升了5.2%，采取方案二時，塊煤率為25.7%，塊煤率提升了8.1%。單純從塊煤率角度考慮，方案二更合適，但是考慮到方案二不僅需要提前掘進一條專用巷道，而且采用的是深孔爆破方式，炮孔深度達到了55 m，即增大了巷道掘進工程量，還增大了炮孔工程量和炸藥用量。與之相比，方案一采用的是淺孔爆破，炮孔深度僅為2.6 m，而且并未增加巷道掘進量，炮孔工程量及炸藥消耗量也遠遠小于方案二，雖然塊煤率比方案二塊煤率低了2.9%，但是綜合考慮施工量及成本投入，還是選擇方案一為最佳方案。

4 結論

本文以億欣煤業為工程背景，針對億欣煤業主采15#煤層為價值較高的無煙煤，提高塊煤率可大幅提升礦井的經濟效益。提出兩種試驗方案分別在XV2301工作面及XV2303工作面進行現場試驗，方案一為采用淺孔爆破的方式對工作面煤壁進行弱化爆破，方案二為采用深孔爆破的方式對超前工作面進行爆破弱化。經過現場測試，與正常回采相比，實施方案一塊煤率可提升5.2%，實施方案二塊煤率可提升8.1%。綜合考慮施工工程量、爆破孔工程量及炸藥消耗量等，方案二在多掘進一條專用巷，并大大增加爆破孔工程量和炸藥消耗量的前提下，僅比方案一塊煤率提升2.9%，效果并不顯著，因此確定試驗方案一為最優方案。