提高炮采工作面块炭率的技术实践

李小二 倪天峰

摘要：为了提高块炭率，增加经济效益，基于微差爆破的基本原理，结合方庄二矿2321工作面生产实际情况，通过理论计算确定了炮采工作面微差爆破参数及施工工艺。现场实践证明：块炭率由原来的29%-32%提高至42%-45%，经济效益明显。该技术的实践应用可为焦作矿区及类似条件下的回采工作面提高块炭率提供参考。

关键词：微差爆破 炮采工作面 块炭率

1 概况

方庄二矿隶属于河南能源焦煤公司，矿井1980年12月25日投产，批准设计生产能力0.45Mt/年。2006年核定生产能力0.48Mt/年，2011年复核生产能力0.48Mt/年。

主采二1煤层，煤层平均厚度为5.4m，煤层倾角为21°，煤层结构简单，无夹矸。

2321工作面采用液压悬移支架支护，爆破落煤，刮板输送机运煤。工作面平均月产量3.0万吨左右，块炭率为29%-32%，较为偏低。经过分析后确定，主要原因是单孔装药量大、炮眼布置不合理造成的[1]。为有效解决以上问题，提出2321炮采工作面采用微差爆破技术。

2 毫秒微差爆破原理

微差爆破是指相邻各组药包爆炸间隔时间较短（几十

毫秒），并按一定顺序起爆的控制爆破技术，其作用包括[3 ][4]：

①增加自由面：采用微差爆破时，先起爆炮眼为后起爆的炮眼创造了辅助自由面，由于自由面的增加，加剧了煤岩的破碎，改善爆破效果和爆破块度。

②利用残余应力：当药包在介质中爆破时，除了破碎一部分介质外，在周围介质中也产生应力场，这种应力在后组药包起爆时还未消失，使应力波互相迭加，增加了两炮眼间的破碎作用，从而使爆破块度更加均匀。

③补充破碎作用：先起爆的药包使介质破碎并产生运动，在运动过程中能够相互碰撞，利用动能使介质再次破碎，起补充破碎作用。

④减震作用：先后起爆的药包爆破产生的地震波相互干扰而减弱，同时其能量在空间和时间上都分散了，大大降低了地震波的强度。

3 微差爆破参数

方庄二矿煤的容重为1.6g/cm3，爆速1200m/s，泊松比0.3，抗拉强度1-3MPa。采用煤矿许用三级乳化炸药，密度为1.0g/cm3。装药直径32mm，炮孔直径42mm，爆压2822.4MPa。

3.1 裂隙圈半径的确定[5]

按爆炸应力波的作用理论

Rp=■■r

式中：Rp——裂隙圈半径；

b——侧压系数；

b=μ/1-μ=0.3/1-0.3=0.4286

p2——孔壁煤体中的初始压力峰值；

p2=1/8ρ0D2（dc/db）6n

=1/8×1×36002×（32/42）6×8×10-3

=2535MP

dc——装药直径，32mm；

db——炮孔直径，42mm；

n——孔壁压力增大系数，n=8-10；

Sr——煤体的抗动拉强度，3MPa；

α——应力波衰减指数，α=2-b=1.5714；

r——炮眼半径，21mm。

代入数据得Rp=（0.4286×2535/3）■×21

=890mm

按爆生气体准静态作用理论，由弹性力学中的厚壁筒理论有

Rp=r·■

式中：Pp——作用在孔壁上的静压力；

Pp=P（dc/db）6=2822.4×（32/42）6=552.1MP

P——炸药爆压，已知为2822.4MPa；

dc——装药直径，32mm；

d——炮孔直径，42mm；

r——炮眼半径，21mm；

Sr—煤体的抗动拉强度；3MPa；

代入数据得Rp=495mm。

3.2 临界抵抗值的确定[5]

临界抵抗值是装药的内部作用与外部作用的最小抵抗线的分界值，当最小抵抗线大于该值，则产生内部作用，否则，则产生外部作用[2]。因此，可由临界抵抗值来作为装药深度的参考依据。

按爆炸应力波理论，临界抵抗线可按下式计算

Wc=[（R+b）p2/Sr]a-1r

式中R——反射系数；

p2——孔壁煤体中的初始压力峰值；

r——炮眼半径；

sr——煤体的抗动拉强度；

α——应力波衰减指数，α=2-b；

B——侧压系数；

代入得Wc=[■]■×21

=1236mm

按爆生作用气体理论，临界抵抗线可按下式计算

Wc=kr■

代入数据得，Wc=1186mm

由以上计算可知裂隙圈半径为0.495-0.890m；临界抵抗值为1.186-1.235m。

由此得炮眼间距E和最小炮眼长度L为：

E=2Rp=1.0-1.78m，L=Wc=1.186-1.235m。

理论计算表明，煤体中的预裂松动爆破合理间距为1.0-1.78m，最小炮眼深度为1.186-1.235m。

根据2321工作面的煤层产状及采高等条件，结合以上理论计算，确定工作面炮眼布置为五花眼，炮眼间距取1.1m，炮眼深度取1.0m，炮眼的水平夹角取75°。

3.3 装药量的确定

装药量是影响微差爆破效果和安全的重要因素，合理的装药量应有良好的松动和预裂效果，且不崩坏支架[2]。根据方庄二矿煤层实际情况，结合日常炸药消耗经验值0.12-0.20kg/m3，确定顶眼、腰眼装药量为0.15kg/孔，底眼装药量为0.3kg/孔。

炮眼布置三视图如图1所示，爆破图表如表1所示，装药结构如图2所示。

3.4 爆破工艺说明

采用安全等级不低于三级的煤矿许用含水炸药，采用合格的煤矿许用毫秒延期电雷管，最后一段延期时间不得超过130ms。按设计要求的起爆顺序装雷管，串联连线方式，正向装药爆破。炮眼封孔使用水炮泥，外用粘土封实，水炮泥每孔一卷，每个炮眼封泥长度不得小于0.5m。

一次起爆长度应根据顶板状况、输送机的运输能力、发爆器的起爆能力及通风能力而定。顶板条件好时一次爆破长度不超过20m。工作面顶板条件不好或遇废巷时进行隔段爆破，最多同时爆破两段，但每段不得超过6m。

4 通过在方庄二矿推广微差爆破应用，总结出的优点

①减少了爆破引起的抛掷煤量，减轻了工人的攉煤时间和体力消耗。在使用微差爆破以前，有一半的煤会抛过刮板输送机；采取微差爆破后，煤几乎原地不动，抛过刮板那输送机的煤只占10%左右。

②改善了顶板的安全条件，有利于采场的支护工作。采取微差爆破后，由于一次起爆的炮眼数较多，爆破时间存在间隙，产生的地震波相互干扰，相互抵消，明显减轻了对顶板的破坏程度。

5 产生的经济效益

方庄二矿用30×30mm筛子选出块炭，按此尺寸，应用松动预裂微差爆破技术后，2321回采工作面的块炭率由原来的29%-32% 增加到现在的42%-45%，按末煤与块炭的平均差价350元/吨，2321工作面月产量3.0万吨计算，增加效益近150万元，经济效益明显，具有长期推广应用前景。

6 存在的问题及建议

①微差爆破的相关参数与工作面的通风、瓦斯、煤层顶底板、煤体硬度等情况密切相关，在现实应用中应根据工作面相关条件变化及时调整爆破参数。

②应从思想及技术上加强对工人的教育培训，特别是基层区队管理人员，要通过市场化的手段将块炭率的高低与职工工资挂钩，让职工从思想上转变意识。技术人员要不断指导职工从技术上提高实际操作能力，在现场应用中不断优化总结，从而确保微差爆破技术安全高效的推广。

参考文献：

[1]周占雄.提高中小型煤矿块煤率的有效途径[J].山西焦煤科技，2005，12：32-33.

[2]战军，梁为民，杨小林，等.提高炮采面块煤率的松动预裂微差爆破新技术[J].矿冶工程，2004，24（4）：4-6.

[3]李立丰，唐世界，韩松林，等.利用微差爆破提高综采块煤率的研究[J].中州煤炭，2011，4：19-20.

[4]吕建青.井巷工程.中国矿业大学出版社，2007，11.

[5]员小有，杨小林，等.预裂松动爆破在炮采放顶煤工作面的应用[J].煤，2000（04）.

作者简介：李小二（1982-），男，河南辉县人，大学本科，学士学位，2012年毕业于河南理工大学，现任河南能源化工集团焦煤公司方庄二矿技术部副部长，现从事煤矿生产技术管理工作。