李雅庄矿中深孔松动预裂爆破技术研究

曹怀建(霍州煤电集团 李雅庄煤矿，山西 霍州 031400)

断层作为煤矿开采过程中常见的地质构造，严重阻碍了工作面的正常推进，采用钻爆法通过断层是极为有效的作业方式。近些年来，许多学者针对煤矿断层的爆破方式进行研究。吴帅等[1]提出了根据深孔爆破裂隙区贯通并部分重叠确定孔距的方法。李卫平[2]运用数值分析软件模拟了单孔爆破的岩体破坏过程来确定合理的断层钻爆工艺。中深孔预裂松动爆破技术发展较为成熟并且已经广泛应用于各类煤矿开采[3-6]. 本文以李雅庄煤矿2-605工作面为例，结合理论分析与现场操作，深入研究中深孔松动预裂爆破技术，有效解决了实际生产中遇到的问题。

1 工程概况

李雅庄煤矿地质条件复杂，断层发育较多，2-605工作面走向长度1 203 m，倾斜长度215 m，煤层厚度3.2 m，煤层倾角5°～13°，平均倾角7°，工作面割煤高度3.2 m. 2-605工作面有两条5 m断层和一个陷落柱，其中一条断层在切巷揭露48 m，在正巷揭露71 m(如图1)，断层围岩强度较高，工作面回采截割过程中对机械设备磨损严重，极大地影响了工作面推进速度和煤炭产量，增加了生产成本，不利于李雅庄煤矿经济效益的提升。

图1 2-605工作面设计图

2 爆破工艺

2.1 爆破参数选择

钻机选用石家庄ZDY-2000S矿用坑道钻机，钻孔直径为90 mm. 根据断层落差和松动预裂爆破要求，结合以往经验沿断层处煤壁施工一排炮眼，孔口距底板距离为1.2 m. 为充分利用爆破能量，炮孔与煤壁夹角设计为90°,仰角-1°～0°.

炮孔深度的确定取决于沿工作面的爆破范围和断层走向，为保证工作面在断层前方调成水平推进，炮孔深度取10～30 m.

根据苏联A.A费先柯等人的理论，推导出炮孔间距的计算公式如下：

E=a·r(2)

式中：

E—炮孔间距，m；

a—炮孔半径的倍数，取3；

St—岩石的抗拉强度；

n—空气冲击波遇到障碍物时在障碍物中增长的系数；

p—波阵面压力；

r—钻孔半径；

μ—岩石泊松比。

根据计算，孔间距取1.5 m.

中深孔松动爆破中，确定合理的封孔长度，既能保证岩体松动爆破效果，又不产生孔口碎石过度抛掷的现象。封孔长度一般取孔深的1/4左右，通过计算，该工程中取3～7 m. 爆破参数见表1. 炮眼平剖面示意图见图2.

表1 爆破参数表

图2 炮眼平剖面示意图

2.2 爆破工艺

1) 装药。为了防止中深孔爆破过程中“管道效应”的产生，在炮孔中加装导爆索。安装炸药时使用炸药被筒，炸药被筒外径为75 mm，采用双抗(抗静电、抗燃烧)的PVC管制成，每节炸药像“蜡烛”一样内芯含两根导爆索。操作时先将炸药、导爆索放入d75 mm的PVC管内，然后将PVC管塞入炮孔里，装药结构见图3.

图3 装药结构图

2) 连线。炮线连接采用炮孔之间串联，每个炮孔内并联的方式进行，具体联线方式见图4.

图4 炮线连接方式图

3) 封孔。使用水炮泥进行封孔作业，为了确保良好的封孔效果，严格控制炮泥含水量，以手捏刚能成形为准，塞入炮泥后用炮棍捣实。

4) 起爆。由工作面靠正巷一端开始向副巷方向依次起爆，每次起爆3～5个炮孔。起爆方式采用双雷管、双导爆索引爆，导爆索延伸至炮眼底部。每一根导爆索用一发雷管起爆，两发雷管采用并联方式连接，用胶带将雷管和导爆索绑扎牢固，保证雷管与导爆索紧密接触，且药卷聚能穴端应与导爆索传爆方向一致。

2.3 爆破效果

2-605工作面切巷断层中深孔预裂爆破效果对比图见图5. 由图5可知，采煤机截割工作面断层过程中，未爆破段的岩石强度高，截割难度大，速度缓慢，采煤机截割过后煤壁呈直立状态，见图5a)；爆破区域的岩石强度明显降低，爆破后切巷煤壁有细小的裂隙生成，采煤机截割过后有明显的片帮现象，见图5b).

图5 中深孔预裂爆破效果对比图

3 数值模拟分析

采用LS-DYNA非线性分析软件对爆破过程进行数值模拟[7-8]，通过分析双孔之间应力波的传播和叠加规律，对中深孔松动预裂爆破机理进行研究并说明爆破参数选取的合理性。考虑到模型对称性，取1/2模型计算，长、宽和高分别为3.0 m、1.2 m和1.2 m，其他参数与工程相同。有限元模型见图6，模型内部选取3个测点，由模拟结果得到有效应力曲线，见图7.

图6 有限元模型图

图7 模型各测点有效应力曲线图

模型剖面和底面有效应力的传播过程分别见图8a)、b). 三维数值模拟结果真实再现了炸药在炮孔内起爆后应力波的传播、反射和叠加的复杂过程。图8a)显示炸药起爆后，爆轰波呈锥形沿炮孔底部向顶部传播，在2 174 μs时，炸药爆轰过程结束。2 506 μs时有效应力在相邻两炮孔间发生首次叠加，图7各测点的有效应力曲线也显示爆炸应力波在A点的有效应力峰值为49.67 MPa，B点的有效应力峰值迅速衰减至23.81 MPa，当两列应力波相遇时孔间破碎得到加强，C点有效应力峰值达到25.98 MPa. 应力波在3 461 μs时传播至顶部自由面并发生反射形成拉伸波，之后，压缩波与拉伸波在炮孔内发生多次叠加直到趋于稳定。图8b)显示炸药爆炸后，爆轰波冲击炮孔壁形成强应力波在各个炮孔周围以圆形面向外传播。从2 506 μs开始孔间应力波沿中心线依次叠加，直到5 670 μs时应力波传播至边界。孔间各测点有效应力峰值均大于断层的动抗压强度，能够实现松动爆破要求，爆破参数选用合理。

图8 有效应力传播云图

4 结 论

1) 中深孔松动预裂爆破效果明显，未爆破区域，岩石强度高，采煤机截割过后煤壁呈直立状态；爆破区域，岩石强度明显降低，煤壁有非常明显的片帮情况。

2) 相对未爆破前，爆破后2-605工作面每个圆班可以提高500～1 000 t产量，减少截齿消耗20个左右，提高了产能和推进速度，同时也节约了生产材料成本。

3) 数值模拟再现了整个爆破过程及应力波的作用机制，结果显示爆破参数选用合理，能够达到松动预裂爆破效果。

[1] 吴 帅，李廷春，贾绪路，等.过大落差断层深孔预裂爆破合理孔距研究[J].科学技术与工程，2017，17(6)：163-166.

[2] 李卫平.采煤工作面过断层爆破工艺[J].煤矿安全，2015,46(2):139-142.

[3] 罗时华,孙德宝.大直径深孔爆破在煤矿综采过断层中的应用[J].煤矿爆破,2013(4):36-38.

[4] 郝英豪.深孔预裂爆破技术在综采工作面过断层中的应用[J].水力采煤与管道运输,2013(3):48-50.

[5] 陈修建，孙德宝，张正法.松动爆破技术在综采工作面断层的应用[J].煤矿爆破,2009(3):37-38.

[6] 李培青.大直径中深孔爆破技术在薄煤层综采过较大断层时的应用[J].山东煤炭科技,2014(3):17-18.

[7] Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA keyword user’s manual version 971[M].Livermore,C A,USA:Livermore Software Technology Corporation,2007.

[8] Wang Y.Study of the dynamic fracture effect using slotted cartridge decoupling charge blasting[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2017,96:34-46.