8508 綜放工作面過陷落柱深孔爆破技術的優化

王永星

（潞安化工集團有限公司陽泉五礦，山西 陽泉 045000）

1 概況

陽泉五礦8508 工作面15#煤層整體為褶皺構造，回采前期為背斜構造形態，回采后期為向斜構造形態。煤層傾角為2°～15°，平均6°左右，采用了綜合機械化低位放頂煤采煤工藝，實行“兩采一放，追機放頂煤”的作業方式。在工作面存在4個陷落柱：距切巷92 m、115 m、281 m、609 m 處分別存在回風巷揭露的陷落柱X1（42 m×16 m）、高抽巷揭露的陷落柱X2（38 m×31 m）、進風巷揭露的陷落柱X3（60 m×58 m）、陷落柱X4（266 m×83 m）。過陷落柱區域的巖層強度較大，因此綜采作業時主要采用淺孔爆破、平推硬過的方案，采煤機的截齒磨損極為嚴重，綜采效率低，且存在安全隱患。

為了解決上述不足，項目組提出了深孔預裂技術方案，采用組合裝配式的擴裂彈體，提升了陽泉五礦綜采面在過陷落柱區域的作業效率和安全性。

2 擴裂彈體及裝藥器結構優化

爆破藥在爆破孔內的位置直接影響到爆破效果和安全性，傳統的爆破過程中所用的爆破藥為柔性較大的乳化藥[1]，在裝藥時需要人工慢慢放入炮眼內，而在陷落柱區域，炮孔內的巖石碎裂性大、鉆孔時的巖粉清洗不徹底，導致在推送藥包時很容易出現卡阻。藥包推進不到位或者藥包不連續，不僅影響爆破預裂效果而且給爆破作業造成安全隱患。

新的組合裝配式的擴裂彈體[2]，用于解決藥包推送不到位、藥包不連續的難題。新的擴裂彈體采用了PVC 外殼結構，彈體的外徑為62 mm，最大裝藥長度為1 m，PVC 外殼壁厚為1.6 mm，彈體之間能夠通過快速連接裝置連接，從而滿足不同深度爆破孔的裝藥需求；彈體的端部采用了圓柱形結構，便于通過不光滑的爆破孔；彈體為PVC 材質，不僅具有良好的阻燃、抗潮性，而且不會與瓦斯、粉塵發生反應，穩定性高。

3 深孔預裂爆破仿真模擬

深孔預裂爆破的工藝參數選擇直接決定了爆破效果。目前多數煤礦爆破參數的制定主要是依據傳統爆破經驗，缺乏科學的理論分析和指導，安全性較差。本文提出利用LS-DYNY 力學仿真分析軟件[3]對不同爆破工藝參數進行仿真分析的方案。根據井下地質調研，設置巖層的容重為2835 kg/m3，設置其彈性模量為34 MPa，泊松比為0.29，巖層的動態抗壓強度為39.6 MPa。

根據陽泉五礦井下的實際情況，對裝藥半徑為20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm情況下的爆破預裂效果進行仿真分析，結果如圖1。

圖1 不同裝藥直徑情況下的爆破效果圖

由仿真分析結果可知，隨著裝藥直徑的增加，爆破后的影響范圍隨之擴大，爆破影響范圍約為裝藥直徑的23 倍。在爆破時炮孔周圍的圍巖先被沖擊波強烈壓縮，然后再向外擴散，對爆破孔周圍巖石的毀傷效果也隨著裝藥量的增加而增大。當爆破孔直徑為70 mm 時，雖然爆破效果更好，但巖石碎裂范圍過大，而且碎裂程度過高會導致爆破后四周圍巖不穩定性增加，影響井下綜采安全，因此爆破藥直徑選擇為60 mm。

4 深孔爆破參數

根據仿真分析結果及煤礦井下的實際地質情況，在井下陷落柱邊緣約10.56 m 的位置開始設置爆破孔，爆破孔的間距設置為2000 mm，每個爆破孔的深度設置為9 m，孔與孔之間的距離為2.4 m，炮孔直徑為91 mm。考慮到過陷落柱區域的地層條件較為敏感，因此一次爆破時的裝藥量不易過多，防止出現垮塌事故。根據仿真分析及驗算，其單次爆破時的裝藥量不大于180 kg。為了提高爆破的安全性，各個炮孔內的裝藥全部采用正向裝藥結構[4]，所有的雷管均采用串聯的形式設置在起爆器上。炮孔布置結構如圖2。

圖2 陷落柱區域深孔爆破孔設置示意圖（m）

為了保證爆破藥設置后不受潮，且保證爆破時能量不被分散，對爆破孔的填塞工藝要求較高。對多種封孔方案進行驗證后，確定封孔材料用黃土和砂石按3:1 的比例混合后加入1%組分的防潮劑構成，用模具加工成直徑為60 mm、長度為300 mm的圓柱形結構。封孔時的封孔長度選擇6.3 m，保證封堵的可靠性。裝藥結構如圖3[5]。

圖3 深孔爆破裝藥結構示意圖

5 井下爆破驗證

在陷落柱區域進行爆破后，只有4 號孔內炮泥被沖出，分析為填充時填充質量差導致；在17、18、20 號孔內出現了爆破漏斗拋擲，主要是該區域內巖石碎裂性較高，而且裝藥量偏大導致的；其他各個爆破孔內爆破后未發生異常，表明了該深孔爆破工藝設置合理。

采用改進技術后，綜采過陷落柱區域平均每天推進3.62 m，比優化前的3.14 m 提升了15.3%。在推進過程中，平均每米消耗的截齒數量為4.1 把/米，比優化前的16.9 把/米降低了75.7%，極大地提升了過陷落柱的綜采效率和安全性。

6 結論

為了解決陽泉五礦綜采面過陷落柱時推進速度慢、安全性差的不足，提出了一種新型的深孔預裂技術方案，對該方案的工藝參數選擇和實際應用情況進行了分析，主要結論：

（1）新的組合裝配式的擴裂彈體采用PVC 外殼及半圓形端部，能夠有效解決傳統方案藥包推送不到位、藥包不連續的難題。

（2）LS-DYNY 力學仿真分析軟件能真實模擬井下爆破的實際效果，為優化爆破方案提供理論依據。

（3）新的深孔預裂技術，將陽泉五礦井下過陷落柱區域的推進速度提升了15.3%，將采煤機截齒磨損量降低了75.7%。