深孔爆破弱化坚硬顶板参数优化分析

张学亮,贾光胜,2,徐 刚,2

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

深孔爆破弱化坚硬顶板参数优化分析

张学亮1,贾光胜1,2,徐 刚1,2

(1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013)

论述了坚硬顶板的危害,指出深孔爆破可弱化坚硬顶板并说明其特点。重点分析了钻孔长度、钻孔间距、钻孔直径、封孔长度 4个对深孔爆破影响最大的参数及装药结构和对深孔爆破的影响及其参数优化范围。实际应用表明参数优化范围是可行且有效的。

深孔爆破;坚硬顶板;参数优化

长壁工作面开采绝大多数采用全部垮落法处理顶板,顶板能够随着工作面推进而自行垮落是长壁工作面实现安全回采的首要条件。

坚硬顶板强度高,节理、裂隙不发育,具有整体性好和自稳能力强等特点,当煤层顶板为坚硬难垮落顶板时,回采过程中容易形成大面积悬顶。当顶板大面积突然垮落时极易形成飓风和强冲击载荷,容易造成人员伤亡和设备损坏,而且容易造成瓦斯瞬间涌出,诱发瓦斯重特大事故,当煤岩体有冲击倾向性时,还容易诱发冲击矿压灾害[1-4]。

为了达到工作面安全、高效生产,必须对此类顶板进行弱化处理,深孔爆破是较为常用的一种方法。

1 深孔爆破方法及其特点

根据《煤矿安全规程》的要求,不允许在工作面对顶板进行爆破,因此,实际生产过程中多采用超前深孔爆破实现顶板的弱化,具体做法是：在上、下巷或特殊巷道 (工艺巷)向顶板打深孔,在工作面前方一定距离进行预爆破,预先破坏顶板的完整性。井下深孔爆破不同于常规爆破,有 2个特点[5]：

(1)虽有一个自由面,但因钻孔较深,基本不能利用。深孔爆破破坏作用于煤岩体深部内部,相当于无自由面爆破在其内部的扰动损伤破裂。

(2)深孔爆破是分组依次起爆,前面的爆破形成弱面区域对后续的爆破效果起到增强作用。

2 影响深孔爆破的参数及装药结构分析

在确定深孔爆破参数的过程中,既要考虑到取得良好的爆破效果,又要在经济技术上合理可行。因此,爆破参数确定的合理与否是该方法能否取得成功的技术关键。深孔爆破中,对爆破效果影响最大的参数有钻孔长度、孔间距、装药量、封孔长度及装药结构[6]。在爆破孔直径、钻孔长度确定之后,装药量也就相应确定了,实际上确定爆破参数就是确定布孔参数,包括孔长、孔间距、孔径及封孔长度 4个主要参数及装药结构。

2.1 钻孔长度

确定钻孔长度主要考虑到工作面坚硬顶板的厚度,钻机能力,装药机能力,煤矿导爆索每卷长度,其中坚硬顶板厚度应优先考虑,使坚硬顶板岩体都在爆破作用范围内。

炮眼垂深的确定,按经验公式计算,有效放顶深度 H至少为：

式中,M为工作面割煤高度,m;Kp为岩石破碎后的体积膨胀系数。

确定炮孔有效放顶深度 H之后,便可根据炮孔角度计算得出钻孔长度。

钻机一般可选用MYZ-150型、SKZ2120A型等液压钻机,通常可以顺利钻进 50～70m,并能保证孔形完好,为装药创造良好的条件[7]。

装药工艺[8]可采用BQF-50A型压风装药机配合抗静电阻燃塑料管进行连续装药。在装药工序中,最主要的是深孔送输药管比较困难,由于输送管刚度不够,经常出现输送药管送不到孔底现象。现在多采用内径与药卷和钻孔孔径相匹配的 PVC管作为炸药的载体,将 PVC管沿直径方向剖开一侧,将药包和导爆索等放入,再用胶带纸进行绑扎。PVC管间用管接头连接。这样保证了装药的刚度,可以很方便地将药包送入炮眼底部。

根据炮孔长度和封泥长度确定导爆索长度,导爆索出厂时,除非特别提出要求可以适当加长外,一般每卷长度 50m,当孔深超过 50～60m时,就需要接导爆索,这在装深孔时既麻烦又不可靠,接头容易断开,在设计钻孔长度时应考虑这一因素。

综上,可根据公式 (1)先计算确定炮孔有效放顶深度,然后考虑炮孔的倾角计算得出炮孔的长度。结合现场具体的顶板地质条件和钻孔布置角度,一般情况下,炮孔长度在 10～50m。

2.2 钻孔直径

钻孔直径实际上就是装药直径。显而易见,孔径越大,爆破作用范围就越大。然而孔径增大要受到许多因素的限制。

首先受到钻机能力的限制。对于功率一定的钻机,孔径增大,钻进速度会明显降低,钻同样深的孔径就要增加钻进时间,经济上是不合理的。其次,受坚硬顶板岩体条件的限制。对于完整性较差的坚硬顶板,容易出现钻孔变形和塌孔现象。第三,孔径过大会给封孔造成困难。因为封泥的横截面随孔径增大而增大,封泥强度与小孔径相比相对降低,而爆生气体作用在封泥上的总压力相应增大。

在同等条件下封孔长度就要增加,有效作用孔长随之减小,总装药量相应减小,由于孔径增大而提高的爆破效果会因此有所降低。若采用封孔器封孔,增大孔径后的封孔器尺寸也增大,增加了爆破成本。

总之,爆破孔径应确定在一个合理的范围内,根据分析计算及现场试验,爆破孔径在 50～100mm之间较为合理。

2.3 孔间距

孔间距的确定与顶板条件及爆破孔孔径有关,此外还受到经济因素的制约。在顶板条件一定时,孔间距大小应与爆破孔直径相匹配,即孔间距与孔径之比应在一个合理的范围内才能取得良好的爆破效果。爆破孔径增大,孔间距可随之增大。但过小的孔间距会使钻孔工程量增大,钻爆成本增加,因此,在优先保证良好的爆破效果的前提下,应尽量地增大孔间距。

深孔爆破的孔间距理论上等于 2倍裂隙区半径[8],这样能够达到较好的爆破效果。

2.4 封孔长度

深孔爆破中,爆破孔的封孔长度是非常关键的参数,要求能够保证封住爆破孔。封孔长度应保障炮孔爆破不影响直接顶相对稳定层,工作面不片帮、不漏顶,炮孔中炸药爆炸时产生的高压气体不冲出孔口,从而保障爆破安全。

爆破孔装药爆炸后,应力波沿径向传播的同时也沿轴向传播。当应力波到达顶板时会发生反射。如果封孔长度小,则可能在封孔段造成拉伸裂隙,对现场安全造成隐患。

炮孔充填堵塞一般可采用刚 -塑 -刚结构。上端刚性材料堵塞,充分发挥炸药对岩体的爆破能量;中部塑性材料充填,对爆炸高温高压气体让位缓冲;下端刚性材料堵塞,保持爆炸气体压力继续对岩体作用,同时不冲出孔口,充分利用炸药能量,提高爆破效果。炮孔中部堵塞的塑性材料一般为按一定配比混合的黄土细沙。上下端堵塞的刚性材料一般为深孔爆破处理难冒顶板专用堵孔水泥。

综上分析,结合以往深孔爆破经验[2],封孔长度一般为炮孔长度的 1/3。

2.5 装药结构

装药结构一般采用连续耦合装药,辅以煤矿导爆索正向起爆。采用耦合装药时,炸药爆炸生成的爆轰波和高温、高压爆生气体产物直接冲击炮孔孔壁,而不耦合装药时,通过炮孔与药卷间隙中的不耦合介质 (空气和水)间接地冲击炮孔孔壁,在炮孔周围岩石中激起沿径向传播的冲击波,造成岩石的动态冲击压缩破碎。不耦合装药与耦合装药相比,主要不同有以下 3方面：降低了爆炸时的初始压力,延长了爆炸产物在介质内部的作用时间;减少了消耗在使周围介质发生过于破碎和产生塑性变形的能量;增加了爆生气体形成的 “气楔”作用时间,能产生较长的裂纹。

文献 [9]采用 AUTODYN数值模拟软件分析了不耦合系数对爆破效果的影响。数值分析表明：随着不耦合系数的增加,爆破产生的裂隙区直径在增大,破碎区半径在减少。采用不耦合装药方式适合深孔爆破。

3 现场应用

某矿大采高综采工作面采高为 4.3 m,煤层直接顶为厚 3.7 m的粉砂岩,单轴抗压强度为 39.6 MPa;基本顶为厚 14.57 m的中粗砂岩,单轴抗压强度为 81.7 MPa,直接顶和基本顶都较硬,不易垮落,采用深孔爆破对顶板进行弱化处理。深孔爆破分切眼拉槽爆破和两巷步距爆破,主要解决初采和正常回采期间的工作面来压问题。

根据式 (1),M取 4.3 m,Kp取 1.4,计算初步确定顶板岩层处理高度为 10.75m。爆破炮孔直径 65 mm,炸药直径为 50 mm,装药不耦合系数1.3,封孔长度为炮孔深度的 20%～30%,一次起爆药量最多为 500 kg。切眼炮孔布置如图 1和图2,炮孔参数如表 1,巷道内炮孔布置如图 3和图4,炮孔参数如表 2和表 3。

图1 切眼炮孔平面布置

图2 切眼炮孔剖面布置

表1 切眼炮眼参数与装药量

未进行弱化处理时基本顶初次来压步距为64m,来压强烈;经过处理后,基本顶初次来压步距缩小为 34m,来压不强烈,工作面没有受到大的冲击。实践表明,深孔爆破弱化坚硬顶板的方法可行且有效。

图3 两巷炮孔平面布置

图4 两巷炮孔剖面布置

表2 运输巷内炮眼参数与装药量

表3 回风巷内炮眼参数与装药量

4 结论

(1)煤矿井下深孔爆破不同于一般爆破方法,虽有一个自由面,基本不能利用,破坏作用主要控制于煤岩体深部内部。深孔爆破是分组依次起爆,前面的爆破形成弱面区域对后续的爆破效果起到增强作用。

(2)深孔爆破中,确定爆破参数主要就是确定布孔参数,包括孔长、孔间距,孔径,封孔长度4个主要参数及装药结构。

(3)分析得出深孔爆破的主要参数的优化范围：炮孔长度在 10～50m;爆破孔径在 50～100mm;孔间距应尽量等于 2倍裂隙区半径;封孔长度一般为炮孔长度的 1/3;装药结构采用不耦合装药。

(4)实践表明,深孔爆破弱化坚硬顶板参数优化的范围是可行且有效的。

[1]孙建军,徐 刚 .深孔爆破弱化坚硬顶板技术的应用 [J].煤矿开采,2008(3)：89-90.

[2]张祝涛,张龙江 .坚硬顶板深孔爆破强制放顶的实践 [J].现代矿业,2009(5)：80-81.

[3]宫世文,张荪茗,孙 震,等 .深孔预裂爆破强制放顶技术的应用 [J].煤矿安全,2007(1)：21-22.

[4]陈万平 .综采工作面坚硬顶板深孔强制爆破放顶的应用[J].内蒙古煤炭经济,2008(4)：28-30.

[5]侯志鹰 .“两硬”条件综放开采深孔爆破技术研究 [J].爆破,2003(S1)：24-26.

[6]郑福良,董春海 .单一低透气性煤层中深孔爆破预裂爆破的合理参数确定 [J].煤矿爆破,1997(4)：1-3.

[7]郑福良,董春海 .装药器在煤矿井下深孔爆破中的应用[J].煤矿爆破,1998(2)：33-35.

[8]戴 俊 .柱状装药爆破的岩石压碎圈与裂隙圈计算 [J].辽宁工程技术大学学报,2001.

[9]徐 刚,刘全明 .深孔爆破弱化坚硬顶板不耦合系数研究[J].煤矿开采,2009(1)：20-23.

Optim ization Analysis of Parameters of Deep-hole Blasting for Soften ing Hard Roof

ZHANG Xue-liang1,J IA Guang-sheng1,2,XU Gang1,2
(1.CoalMining&Designing Research Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.CoalMining&DesigningDepartment,Tiandi Science&Technology Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

This paper discussed disasterof hard roof and indicated that deep-hole blasting could soften hard roof.It emphatically analyzed influence of bore length,interval,diameter and hole sealing length on deep-hole blasting and presented parameters opt imization range.Practical application showed that parameter opt imization range was feasible and effective.

deep-hole blasting;hard roof;parameter optimization

TD235.35

A

1006-6225(2010)01-0026-03

2009-10-26

张学亮 (1984-),男,山东临朐人,煤炭科学研究总院开采设计研究分院在读硕士研究生。

王兴库]

应用基础