深淺孔聯合爆破技術在過復雜構造帶中的應用

焦世雄

（晉能控股煤業集團 白洞礦業大同有限公司，山西 大同 037000）

0 引言

在采煤工作面回采過程中，往往會遇到隱伏地質構造，而在伴生斷層、褶曲等構造附近，會存在瓦斯積聚、煤層頂板破碎、裂隙導水、壓力顯現等現象，對安全生產構成極大威脅。當斷層落差較大、延伸影響范圍較廣時，會導致煤層斷開，破巖量增加，不利于煤炭資源的有效回收，而具有自燃傾向性和爆炸危險性的煤層一旦回收不及時，被遺留至采空區，更是成為礦井生產重大安全隱患[1]。

因此，為解決好采煤工作面過斷層等復雜地質構造期間的技術難題，以挖金灣煤礦8108 工作面為例，探究有效技術方案與治理措施。

1 工作面概況

挖金灣煤礦8108 綜采工作面主采石炭二疊系山4 號煤層，可采煤層平均厚度3.86 m，煤層傾角1°～3°。工作面采用綜合機械化走向長壁式采煤法，切眼向外回采370 m 范圍內將揭露多達9 條斷層，落差為2.1～9.0 m，由2018 巷向5018 巷延伸發育，且回采范圍內將揭露1 條寬度為3 m左右的火成巖侵蝕條帶，由煤層頂板發育向底板呈床形侵入，對采面影響范圍約395 m，加上周邊伴生斷層的影響，回采區域地質構造類型屬于極復雜。8108 回采工作面地質構造分布圖如圖1所示。

圖1 8108 回采工作面地質構造分布Fig.1 Geological structure distribution of No.8108 Face

8108 回采工作面共安裝136 架掩護式支架，其中128 架型號為ZY12000/24/48D 的普通支架，8架型號為ZYT12000/24/48D 的端頭支架和過渡架，選用采煤機型號為MG900/2360-WD，刮板輸送機型號為 SGZ1000/3 ×855，轉載機型號為SZZ1200/525，破碎機型號為PLM3500，帶式輸送機型號為DSJ120/350/3×250，設備選型滿足安全生產條件要求。在回采過程中由于受到復雜地質構造帶的影響，尤其是火成巖區域頂底板巖性變化較大，多為高密度、質地堅硬的細砂巖和粉砂巖，煤層頂底板巖性描述見表1，回采期間割煤機滾筒截齒很難實現有效截割，且大塊矸石進入破碎機后也很難破碎，該區域影響條帶范圍約為40 m，如何對堅硬頂板實現松動爆破，獲得適合運輸的粒徑矸石，減少設備磨損，實現安全高效的回采是研究的重點方向。

表1 煤層頂底板巖性Table 1 Lithology of coal roof and floor lithology

2 深淺爆破孔聯合施工技術原理

根據頂板圍巖性質和破碎程度，結合垮落帶高度，為達到理想的爆破效果，在采煤工作面過斷層構造帶時通常采用深孔爆破和淺孔爆破2 種方式。一般情況下，深孔施工孔徑為75～350 mm，孔深為8～15 m；淺孔施工孔徑為50 mm，孔深為5～8 m。根據經驗選定炮眼為深淺孔相結合的爆破方式，炮眼深度為1.6、5、7、8 m 等。

利用深淺孔聯合爆破技術是利用不同深度空間裝藥存在一定的層位空隙，當起爆后可以避免振動波出現波動耦合，最大限度地降低爆破壓力疊加產生的壓力峰值，提供有效的聚能臨空面，促使巖石在切應力作用下產生裂隙，而臨空面的聚能壓力在釋放的瞬間又能夠進一步將巖石裂隙進行擴張，產生更多裂隙，破壞巖石的整體結構，使其內部不斷分裂，達到分解破碎巖石的效果，實現預期目的[2]。

3 深淺爆破孔聯合施工參數確定

3.1 最小抵抗線

根據炸藥在爆破過程中對巖體產生的爆炸破碎效果和粒徑大小程度，可將爆破結果分為3 個區域，即壓力碎裂區、裂隙擴散區及彈性振動區等。由于在爆炸瞬間產生的高溫環境，促使空氣形成一定范圍的壓差，從而產生極強的氣壓，伴隨沖擊波的作用一起對巖體造成碎裂影響，出現“松動爆破”的現象，而在應力最集中的爆破中區也會形成一個有效的松動圈[3]，通過式（1）可計算得出松動圈的半徑結果。

式中：Rp為松動半徑，m；α 為應力衰減波值，α=（2-v）/（1-v）；St為抗拉強度，MPa；V 為泊松比；P 為應力波沿徑向的初始峰值，其大小計算可由式（2）推導得出。

式中：Di為爆炸速度，m/s；ρ0為裝藥密度，kg/m3；rc為裝藥半徑，cm；rb為炮眼半徑，cm；V 為泊松比；n 為壓力擴增倍數。

根據以上2 個公式，將工程設計數據Di=3 600 m/s、ρ0=0.278 kg/m3、rc=1.75 cm、rb=2.1 cm、St=1.29 MPa、n=10、V=0.235，代入公式得出ω=545.79 mm，結合現場施工實際情況，最小抵抗線取值為ω=1.2 m。

若要取得最佳的松動爆破效果，首先要控制好炮孔的裝藥量，實現既對巖石進行碎裂破壞，又不至于碎石拋出損壞設備，因此，單孔裝藥當量按照式（3）計算：

式中：Q 為單孔藥量，kg；e 為爆破系數，1.0～1.3；q 為炸藥標準消耗，0.2～0.35 kg/m3；g 為炮孔堵塞系數；l 為炮孔深度，m；ω 為最小抵抗線，m；nc為孔深對藥耗影響系數。將上述工程數據e=1.0、q=1.35、g=1.2、l=1.6 m、ω=1.2 m、nc=1.3代入計算可得單孔藥量應控制在0.655 kg，取整數得藥量0.6 kg，結合《煤礦安全規程》中相關要求，對炮孔各項參數設計參數見表2。

表2 8108 工作面爆破孔設計參數表Table 2 Blasting hole design parameter of No.8108 Face

3.2 深淺爆破孔布置方式設計

結合工作面切眼頂底板巖性和巖層傾角，爆破孔設計為五花眼布置，鉆孔孔徑使用42 mm 直徑鉆頭施工，裝藥卷為35 mm，淺孔孔深為1.6 m，間排距為1.5 m×0.7 m，頂板鉆孔仰角為+20°，底板鉆孔俯角為-10°，中間煤孔垂直煤墻施工，在煤巖結合面處增大孔間距為1.75 m，確保最小抵抗線不小于1.2 m，封孔不小于0.5 m，正向裝藥，不耦合可控系數為1.2，分組起爆[4]。

在8108 工作面回風巷（2018 巷）施工深孔爆破鉆孔，炮孔間距1.2 m，孔徑55 mm，裝藥直徑35 mm，不耦合可控系數為1.57，頂板鉆孔仰角為+13°，每組設計鉆孔數量15 個，布置方式如圖2所示。

圖2 深淺爆破孔布置方式Fig.2 Arrangement of deep and shallow blasting hole

3.3 執行技術標準與要求

為保護好工作面切眼內的支架等設備，在切眼內施工的淺孔炮孔裝藥量較少，且施工數量也少，可實現直接起爆，但爆破順序必須明確要求，即先爆破煤巖結合面區域炮孔，再起爆火成巖區域炮孔，由于火成巖侵蝕區域和斷層共同影響區域的頂板巖性多為質地堅硬的粉砂巖、細砂巖，該區域炮孔裝藥量大，為了避免炮后碎矸損壞設備，可進行分次起爆，每次爆破5～6 個炮孔，放炮后注意檢查炮眼內的殘藥情況，及時處理“瞎炮”，避免存在安全隱患。

放炮前，必須由放炮員親自檢查裝藥連線情況，避免雷管腳線接頭與煤巖壁接觸，造成接地短路，無法正常起爆，若裝藥點風速高，無法有效確保腳線接頭不接地，則可使用防水膠布進行纏繞包扎，避免接觸短路，同時檢查封孔質量是否合格，避免出現“啞炮”、“嗆炮”，影響爆破效果。

當爆破地點頂板巖石破碎，炮后無法及時拉超前架支護時，可適當減小回風巷深孔和切眼內淺孔的裝藥量及封孔長度，避免爆破壓力過大對頂板造成破壞，釋放頂板應力后導致冒頂事故發生，因此，在減少裝藥量的同時，還要減少分次起爆的炮孔個數，確保封孔質量，堅持破碎帶附近的炮孔殘藥檢查效果，杜絕出現炮眼內炸藥殘留。

4 技術應用效果與價值分析

8108 采煤工作面在回采至火成巖侵蝕帶與復雜地質構造區域時，工作面支架受到放炮影響，多數立柱伸縮缸磨損出現漏液、卸液現象，支架底座和刮板輸送機機槽磨損嚴重，割煤機截齒更換量也增大，正常情況每天更換不超過3 個，過構造期間更換量最大達到14 個，若增加炮眼施工密度則會影響每班放炮效率，增大勞動強度，技術應用前每天只能回采兩刀，推進度1.6 m，單日產量3 300 t左右。

經過深淺爆破孔聯合設計應用后，深淺炮孔對不同深度和不同層位巖石的爆破效果疊加影響，更好地產生巖體內裂隙擴張程度，提高了放炮效率，經過松動爆破，每天可回采五刀，推進度4.0 m，單日產量提高到7 600 t 左右，加快了工作面過復雜構造帶的推進速度，創造了安全生產環境。

5 結論

（1）根據工作面實際探查揭露和三維地震勘探確定的構造位置、產狀，以及火成巖侵蝕條帶延伸方向等復雜地質構造體對工作面回采造成的安全影響進行評估，明確構造帶附近的煤巖層性質，從而制定了深淺孔聯合爆破方式進行頂底板破巖的回采方案。

（2）通過采取深淺孔聯合爆破的方式進行采面推進，結合頂底板巖性變化，頂板巖石完整性和破碎程度進行綜合判斷，及時調整單孔裝藥量、起爆順序和起爆數量，有效避免因爆炸的瞬時能量造成頂板二次破壞，不利于切眼超前支護，降低了冒頂事故發生的可能性。

（3）通過調節每天綜采隊的日常作業內容，將設備檢修、油管更換等活動，與打設炮眼、裝藥放炮等實現平行作業，有效減少了因爆破作業造成的生產時間的影響，將過構造期間原有的每天兩刀任務量，提高到每天5 刀任務量，提高產能近一倍，實現高效過構造區域的快速推進。

（4）經過上述爆破方案的基礎參數確定，在實踐過程中不斷總結經驗，后期還可結合工作面回采期間觀測的周期來壓數據、來壓步距、壓力強度、過構造期間兩巷受到超前應力的影響范圍等資料，制定更加詳細科學的過構造方案，確保采面的安全施工。