新元礦9108 工作面深孔預裂爆破過陷落柱技術研究及應用

鞏 赟 李 輝

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045400）

近年來國家大力推廣能源結構向綠色環保調整，但是煤炭需求量仍然呈增長趨勢，煤炭的持續高強度開采已導致賦存條件優越的資源已逐漸開采殆盡，因此煤礦開采面臨的地質環境問題愈加復雜[1-2]。陷落柱又稱之為巖溶，是一種復雜的地質構造，具有分布范圍廣、影響范圍大等特點。在綜采工作面遇到非導水陷落柱開采時，由于陷落柱巖體強度較高，開采時常導致截齒磨損嚴重，且效率低下，而且存在一定的安全隱患。為此，相關專家學者提出了采用深孔預裂爆破的方法弱化陷落柱內厚硬巖體，從而提高工作面過陷落柱的效率，且降低了開采安全隱患[3-5]。本文以新元礦9108 工作面過X85陷落柱為工程背景，提出工作面采用深孔預裂爆破的方法，弱化陷落柱內厚硬巖體，從而提高新元礦9108 工作面過陷落柱的效率。

1 工程概況

新元礦9108 工作面位于9#煤一水平一采區，地面標高1 092.5～1 141.3 m，工作面標高570.5～679.3 m，埋藏深度449.4～510.3 m。工作面傾斜長1305 m，走向長240 m，所采煤層傾角一般為0°～8°，平均4°。9#煤屬于復合頂板，煤層中含2～3 層泥質夾矸，上部含有約0.1 m 的8下煤，中間夾矸厚度一般為0.20～1.50 m 左右。9#煤層厚度1.1～3.3 m，平均2.77 m，煤層頂板以泥巖、砂質泥巖為主，底板為粉砂巖。直接頂以砂質泥巖、炭質泥巖、泥巖為主（含8#煤層），厚度約17.63 m；基本頂為粉砂巖、粗砂巖，厚度約9.17 m；直接底為粉砂巖，平均厚度1.2 m；基本底為細砂巖，平均厚度4.38 m。地質資料顯示，9108 工作面回采過程中將遇見X85 陷落柱，X85 陷落柱長軸為112 m，短軸為66 m（切入工作面40.26 m），X85 陷落柱巖性主要為粉砂巖、粗砂巖。9108 工作面和X85陷落柱相對位置示意圖如圖1。

圖1 9108 工作面和X85 陷落柱相對位置示意圖（m）

2 深孔預裂爆破參數優化確定

2.1 深孔預裂爆破裝藥半徑確定

根據9108 工作面的實際生產地質條件，利用LS-DYNA 數值模擬軟件模擬分析不同直徑藥卷爆破后產生的圍巖擴裂半徑，圖2 給出了裝藥半徑分別為25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm 時爆破后對應的圍巖止裂形態。由圖2 可知，鉆孔內炸藥爆破后產生的沖擊波在孔壁圍巖上形成呈同心圓形狀的應力波，并隨傳播距離的增大，逐漸衰減的趨勢。不同裝藥半徑爆破后的圍巖裂紋長度、爆破后形成的圍巖擴裂半徑與裝藥半徑呈線性相關（相關性系數0.994），線性擬合結果如圖3，測量可知爆破后形成的圍巖擴裂半徑是裝藥半徑的31 倍左右。

圖2 不同裝藥半徑對應的圍巖止裂形態

圖3 不同裝藥半徑與圍巖擴裂半徑線性擬合結果

9108 工作面平均采高2.77 m，結合礦井相關爆破經驗，確定采用直徑為63 mm 的藥卷，根據線性回歸方程計算得到圍巖擴裂半徑為2020 mm，可滿足實際工程需要。

2.2 鉆孔布置方式及爆破參數

深孔預裂爆破計劃在9108 工作面輔助進風巷1內進行。根據相關規程規定，深孔預裂爆破是指炮孔直徑大于50 mm、深度大于5 m 的爆破作業[6]。本次深孔預裂爆破設計爆破鉆孔直徑63 mm，從距9108工作面揭露的X85陷落柱左側邊緣8 m處開始，沿9108 工作面推進方向，以3.0 m 為間距，呈三花布置方式，布置深孔預裂爆破鉆孔。鉆孔布置范圍沿工作面推進方向長度102 m，共布置35 個鉆孔，深孔預裂爆破鉆孔深度控制在5.5～36.5 m 范圍。深孔預裂爆破鉆孔布置如圖4，深孔預裂爆破參數詳見表1。爆破鉆孔采用炮泥封孔進行密封，炮泥采用黃土與砂按照一定的比例加水混合加工而成，炮泥呈L200 mm×Φ60 mm 的圓柱形。

表1 深孔預裂爆破參數

編號 鉆孔深度/m裝藥長度/m封孔長度/m裝藥量/kg 31 35.5 29.5 6 82.6 32 35.5 29.5 6 82.6 33 33.5 27.5 6 77 34 30.5 24.5 6 68.6 35 16.5 10.5 6 29.4

圖4 深孔預裂爆破鉆孔布置圖（m）

3 現場工程應用

3.1 爆破效果分析

將設計的深孔預裂爆破鉆孔布置方式及爆破參數在9108 工作面輔助進風巷1 內進行工程應用，爆破后統計各鉆孔的爆破效果。其中，1～7、9～20號鉆孔未出現炮泥沖孔現象；24～35 號鉆孔未出現炮泥沖孔現象和碎石拋擲現象；8 號鉆孔爆破后炮泥被沖出，是由于炮泥充填質量問題導致；21、22和23 號鉆孔爆破時出現碎石拋擲現象，是由于裝藥量大、巖石完整性好導致的。

3.2 試驗對比分析

（1）9108 工作面在通過X85 陷落柱深孔預裂爆破范圍時（累計102 m），累計消耗截齒240 把，累計用時27 d，截齒消耗每米平均為2.35 把，工作面推進速度平均為3.78 m/d。

（2）9108 工作面通過X85 陷落柱后，又通過了X76 陷落柱，該陷落柱與X85 陷落柱巖性條件類似，陷落柱采用了潛孔爆破方式進行處理。在通過X76 陷落柱潛孔爆破范圍時（累計推進45 m），累計消耗截齒423 把，累計用時18 d，截齒消耗每米平均為9.4 把，工作面推進速度平均為2.5 m/d。

（3）通過對比發現，9108 工作面采煤機通過X85 陷落柱深孔預裂爆破范圍時的截齒消耗量比通過X76 陷落柱潛孔爆破范圍時降低了75%，同時工作面推進速度提高了34%。

4 結論

以9108 工作面過X85 陷落柱為工程背景，提出工作面采用深孔預裂爆破的方法過陷落柱，模擬分析了不同直徑藥卷爆破后產生的圍巖擴裂半徑，分析認為爆破后形成的圍巖擴裂半徑與裝藥半徑呈線性相關。基于此，確定了深孔預裂爆破鉆孔布置方式及爆破參數，并進行了工程應用。9108 工作面采煤機通過X85 陷落柱深孔預裂爆破范圍時的截齒消耗量比通過X76 陷落柱潛孔爆破范圍時降低了75%，工作面推進速度提高了34%。