综放面火成岩侵入区域松动爆破预裂技术研究与应用

吴晓伟

（同煤集团永定庄煤业有限公司， 山西 大同 037003）

1 工作面概况

1.1 8205工作面概况

8205 综放工作面标高位置912～950 m，地面标高1 136.4～1 312.1 m，开采煤层为15～2 号煤层，工作面走向长 1 812 m，煤层水平发育，倾角 3°～5°，平均4°，煤层最大厚度28.36 m，最小厚度3.8 m，平均厚度13.1 m，含12～19 层夹矸，夹矸厚度为0.1～2.4 m，工作面煤层厚度变化较大，煤层为复杂结构，靠近盘区巷处煤层最薄为3.8 m，切巷处煤层最厚为28.65 m，煤层大部分受火成岩侵入，硅化变质，由东向西，有益煤层逐渐变厚。

1.2 火成岩入侵

8205 综放面 3～5 号层回采至 750 m 时，火成岩床侵入几乎占据大部分工作面，岩性为煌斑岩，结构致密，硬度大，机组割不动。火成岩入侵煤的变质分为接触变质与区域热力变质。岩浆侵入了煤层，让煤质变差，灰分增高，粘结性连续均匀完整性造成了破坏，而且它的侵入把煤层被分割成了若干块段，并煤体中形成不规则的火层岩侵入体，给工作面布置设计，采掘活动带来了很多难题。

2 火成岩煤壁松动爆破预裂技术

对煤壁火成岩放震动炮，采用对岩石中打眼用松动爆破技术进行施工，确保岩体松动后机组能割动，工作面设备不受损坏。火层岩的松动爆破预列最大限度的利用爆破能量使火层岩裂隙发育而不发生爆破抛掷的爆破技术。在煤矿井下开采中，工作面遇到夹石机组割不动时，通常采用打眼放炮处理，但在实际施工中，炮眼的数量、装药量有时掌握不好，容易放炮打坏设备。而采用松动爆破技术作为采煤方法的辅助工艺，特别适用对在煤层中含有夹矸带的开采。因此，松动爆破技术对于8205 工作面开采具有重要意义。

2.1 松动爆破预裂原理

煤体或岩休松动爆破预裂的机理：即孔中的炸药爆破后，爆轰波会以一定的速度向各方向迅速传播。发生瞬间爆炸气体立刻会充满钻孔。这时爆炸气体的超压会作用在煤岩壁上，压力瞬间会将达几千到几万兆帕。爆源周围的煤岩体因受高温和高压的力而压实。使爆破钻孔的周围形成压应力场效应。在压应力作用下周围煤岩体立即发生压缩变形，将处于压应力场的煤岩体径向移动。同时，切向受到拉应力的拉伸作用，发生拉伸形变。而煤岩体抗压强度远大于抗拉强度，所以煤岩体主要破坏形式是拉伸破坏，造成煤岩体径向方向上多裂隙。其上不同质点的位移量与阻力不相同，局部剪应力超出煤岩体的最大抗剪强度，造成剪应力的剪切破坏，产生径向剪切多裂隙。爆炸过程伴随着高压、高温。高温降低过程中，受压缩单元引发径向位移并产生向心运动，这就造成运动单元受到拉应力，产生拉伸破坏。爆破中的煤岩体呈现拉剪破坏，形成拉剪裂隙。此外，爆破转孔期间，钻孔附近产生破碎区域和裂隙区域，破坏了岩体原始应力状态。钻孔的开挖，使煤岩体原来三向应力状态变为双向应力状态。同时，靠近工作面煤壁又处于单向应力状态，围岩降低促使煤岩体抗压强度大幅降低。在工作面超前支承压力作用下，增加煤岩体破坏程度，工作面开采时，煤岩体已然松动爆破预裂，强度降低，采煤机切割过程中切割阻力降低，切割煤岩体速度增加，起到了松动爆破预裂的效果。

2.2 松动爆破预裂不耦合装药

利用轴向或径向不耦合装药，空隙或留设的空气柱的存在削减了爆破孔壁上的爆匡峰值，提供孔间临空聚能空间，可以消减爆破压力作用对孔壁的压剪破坏。爆破孔周边裂纹及孔间临空聚能空间，能使孔与孔之间产生应力集中，孔与孔之间的周边裂隙发育，为爆破后滞后的“高压气刃”的切割劈裂形成关键通道，布置爆破孔与孔之间由线到面的裂纹全部贯通，达到不耦合装药预裂效果。

2.3 松动爆破相关技术参数

炸药卷在火层岩中爆破，根据破碎岩石的效果分为压碎、松动、震动圈。在松动圈内爆破产的爆破冲击波和爆生气体将块状或不规则的结构致密的火层岩体碎裂成裂隙体。

2.3.1 炮孔装药量

式中：Q 为每个炮孔实际装药量，g；e 为主要换算系数，即爆力系数，取1.0-1.3；q 为标准条件下爆破每单位体积所需要装药量，一般取0.20～0.35 kg/m3；g为炮眼填塞系数取1.2；l 为炮眼深度，m；w 为最小抵抗线，m；nc为炮眼深度对炸药消耗量的影响系数。

经计算装药量为450 g，火层岩遇水后强度降低，实际中装药量为300 g。

式中：Rp为松动爆破直径；p 为应力波初始径向应力峰值，；a 为应力波衰减值，；D1为炸药爆速，m/s；ρ0为炸药密度，kg/m3；rc、rb分别为药包和药眼半径，mm；st为岩体抗拉强度，MPa；v 为泊松比；n 为压力增大系数，8～11。

主要参数：炸药爆速4 500～5 000 m/s、炸药密度为1 100 kg/m3、药包半径13.5 mm、药眼半径21 mm、岩体抗拉强度4.97 MPa、泊松比0.28。

2.3.2 松动爆破范围

2.3.2.1 最小抵抗线的确定

药卷在炮孔一定深度内自由面爆破，当爆破的最小抵抗线大于松动圈半径时，形成内部爆破；当最小抵抗线小于松动圈半径时，形成松动爆破。经计算和实际应用得出松动圈的半径为800 mm 最为合适。

2.3.2.2 炮眼的间距及深废的确定

炮眼深度综合考虑爆破效果、炮眼的利用率、施工的机械和操作技术水平、施工组织管理等因素。按照本工作面实际生产推进距离为两刀，截深1.6 m，确定炮眼深度为2.0 m。（炮眼利用率0.85）。若矸石厚度小于1 m，打一排炮孔，间距为0.8 m，若矸石厚度为大于1.0 m 布置2 排炮孔，间距为0.8 m（见图1，图 2）。

图1 不规则火成岩分布及炮眼布置

图2 炮眼装药示意图

2.3.2.3 炮泥的优化

由于火成岩硬度大，而炮土封口爆破时容易泄压，所以我公司采用了井下现拌混泥土替换炮泥，保证了炮孔中的爆破压力，从而保证了松动爆破的效果，同时也减少了炸药的用量。

经过研究和试验，采用封孔机构为塑—刚—塑—刚的方式进行封堵炮孔。孔的前端部分用密度较高的水泥封堵，用于抵抗和反射沿炮孔的爆破应力波，同时又能被动产生适量位移，缓冲爆破应力波的强度。中部充填了黄土塑性材料，能够使爆破应力波迅速衰减，黄土炮泥自身被压密实，提高了炮孔的严密性避免爆破能量的泄露；末端再采用密度较高的水泥进行封孔，能够进一步加强对炮孔的封堵作用，彻底杜绝拔孔现象发生，同时也防止出现空气冲击波及飞散物危害。

表1 炮眼布置及装药量

2.3.2.4 放炮顺序优化

采用一次拉3 个炮的方式，分次装药，分次爆破，增加爆破辅助自由面，保证了爆破效果。

3 松动爆破预裂技术现场应用

通过在8205 工作面实施松动爆破技术，确定了最小抵抗线、松动圈半径、炮眼深度、角度、不耦合装药的技术原理和封孔的优化。可快速施工炮眼实施爆破，解决了煤体中火成岩侵入后机组割不动煤的困难，同时保证工作面设备安全，加快了回采施工进度，确保安全生产。

3.1 应用情况及经济社会效益

8205 综放面采用了松动爆破预裂技术起到了松动火层岩的作用，解决了本综放工作面机采部分火层岩大面积浸入的难题、有效的减径了采煤机的工作强度加快了割煤的速度，保证了矿井的产量。取得了较好的经济效果。

3.2 松动爆破预裂技术应用的先进性

火层岩预裂爆破技术是最大限度的利用爆破能量使火层岩裂隙发育而不发生爆破抛掷的爆破技术。采用预裂爆破技术作为火层岩侵入工作面的采煤技术的辅助工艺，特别适用对在煤层中含有夹矸带的开采。保证矿井产量，保护了综采设备，经济合理。该项技术在煤层中有火成岩侵入区域和夹矸带中开采在集团公司处于领先地位。

3.3 存在的问题及推广应用前景

预裂爆破技术在实际使用过程中，岩体遇到水后强度会大大降低，需要根据实际情况增减药量，同时预裂爆破增大了煤岩体的破碎程度，保护工作面设备，满足机组能割动需求条件。该技术在石炭系火成岩侵入严重的矿井中有积极推广应用价值。

4 结语

从实践应用效果来看，该技术应用在预裂煤壁侵入火成岩的工作面具有较好的效果，松动爆破后，火成岩块度大小均匀，减少二次大块岩体破碎造成不必要劳动强度。同时，爆破预裂使坚硬岩体破碎，有助于采煤机直接切割，快速通过火成岩侵入区域，确保工作面进尺与安全高效生产。为类似火成岩侵入的工作面提供了相关经验，具有重要参考价值。