大倾角煤层无人工作面深孔爆破落煤参数设计*

韩 亮，曲效成，刘聚友，彭 瑞

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 101601；2.北京安科兴业科技股份有限公司，北京 102200； 3.陕西麟北煤业开发有限责任公司，宝鸡 721505)

大倾角煤层开采一直是采矿领域的难题，新矿集团福城煤矿部分煤层目前正面临开采倾角大，顶板破碎滑落的问题，个别工作面甚至出现严重冒顶致使工作面停产，设备难以撤出的情况，给企业造成极大损失。由于大倾角煤层占比较大，因此如何安全回收这部分资源将是矿井的一项重要工作，在此背景下，矿方联合科研单位，提出了大倾角煤层无人工作面开采工艺。该工艺是在工作面上、下区段平巷端头实体煤帮布置钻孔，平行于工作面打眼爆破，现场人员不进入工作面，面内不设支护，煤体爆落后，经引煤装置扒落至下区段平巷，完成资源的开采。上述环节中，深孔爆破落煤是整个工艺的关键，爆破效果的好坏将直接影响该工艺的生产效率。

深孔爆破技术源于露天开采，此后在交通、水利和煤矿等领域得到广泛应用。井工开采中，深孔爆破多用于煤层卸压[1-3]、瓦斯抽放[4-6]、切顶预裂爆破等领域[7-11]，在煤体爆破方面应用较少，现有文献关于其爆破参数的设计也鲜有介绍。基于大倾角无人工作面深孔爆破落煤试验，提出爆破参数的设计思路，并通过爆破效果加以验证，设计成果将为后续生产积累重要的实践经验，也可供其他项目参考借鉴。

1 试验工作面概况

选择采区西侧WⅠ-1工作面作为试验工作面，设计走向长461.5 m，倾斜长约30 m，如图1所示。主采9号煤层，煤层倾角为30°，节理裂隙不发育，分上、下分层，中部为砂岩夹矸，厚0.15～0.6 m，上分层厚度平均1.2 m，煤层有益厚度3.50 m，总体厚度4.25 m。根据工作面揭露的钻孔可知，直接顶为一层2.85 m厚的灰岩，基本顶为9.75 m厚的泥岩。

2 爆破参数设计

2.1 钻机及火工品

(1)钻机

钻机型号决定了炮孔直径及钻孔效率，传统的深孔爆破一般采用大直径炮孔(φ75 mm以上)，但考虑到现场设备、火工品情况及爆破块度要求，炮孔直径不宜过大，本次设计中选用钻机型号为ZQJL-802.0S气动架柱式钻机，配套的炮孔直径为φ42～50 mm。

(2)炸药

炸药直径应与炮孔直径相匹配，还应考虑装药工艺的可行性及便捷性，受现场火工品条件的制约，炸药选择二级煤矿许用水胶炸药T-320，炸药参数如表1所示。

表1 现场炸药参数表Table 1 Field explosive parameters

(3)起爆及传爆器材

为消除管道效应，设计使用矿用导爆索沿装药全长敷设，若现场不具备使用导爆索的条件，亦可采用同段位5段以下8#电雷管进行搭接传爆。

2.2 爆破参数计算

(1)炮孔直径d

炮孔直径与最小抵抗线和孔间距密切相关，也与爆破效果和钻孔效率等有关。随着钻孔直径的增大，大块率也会相应增大。综合考量后，选择钻头直径d为42 mm。

(2)装药密度Δ

装药量与其所占炮孔体积的比值称为装药密度。装药密度愈小，炸药的威力也愈小，爆破中应设法保证最大的装药密度。受现场火工品条件的制约，T-320水胶炸药药卷长度为400 mm，单卷质量0.32 kg，确定的炮孔直径为φ42 mm，计算得到炮孔装药密度Δ为578 kg/m3。

(3)装药系数τ

装药系数是指装药长度与炮孔长度之比，根据经验，深孔爆破装药系数一般取0.7～0.85，设计中装药系数τ取0.8。

(4)炮孔密集系数m

炮孔密集系数是指孔距a与最小抵抗线W的比值。根据经验，深孔爆破密集系数一般取0.8～1.4，设计中密集系数m取1.2。

(5)炸药单耗q

炸药单耗就是每爆破1 m3矿岩所需要耗费的炸药量。9号煤普氏系数f约为2，根据现场爆破漏斗试验，计算单耗q为0.25 kg/m3，考虑到煤层爆破自由面较少，受顶底板夹制作用较大，因此，需适当增加单耗取值，为保证首次爆破效果，设计单耗q取0.5 kg/m3，后期可根据爆破块度及爆堆分布情况对单耗进行调整。现场自由面情况如图2所示。

(6)抵抗线W及孔距a

抵抗线和孔距是影响爆破效果和爆破安全最重要的参数，根据装药量平衡原理，对巴隆公式进行相应变换可知

式中，l=H，均为炮孔深度，其余参数同前。上式简化为

代入前述参数，可得W≈1 m，a≈1.2 m。

根据计算情况，归纳爆破参数如表2所示。

表2 爆破参数计算表Table 2 Calculation table of blasting parameters

(7)填塞长度

从爆破效果等考虑，填塞长度最少应等于最小抵抗线，考虑到煤层爆破的安全性，堵塞长度的设计不应小于2 m。

2.3 炮孔布置方案

工作面斜长约30 m，煤厚4～4.5 m，根据计算得到的爆破参数，同时考虑爆后松散煤体不至于充满巷道导致放煤或通风不畅，试验初期，沿煤层走向爆破进尺暂定1 m。从钻孔准确性及装药难易程度上考虑，炮孔布置拟设计两套方案:第一种方案从上区段及下区段平巷分别向各自实体煤侧打对穿炮孔，炮孔长度不大于15 m，上下区段平巷同时起爆；第二种方案从下区段平巷向上部实体煤侧打单向炮孔，炮孔长度不大于30 m，下区段平巷单独起爆。试验初期，选择第一种方案，后续根据实际钻孔及装药情况，采用第二种方案。两种方案爆破设计如表3所示。

图3为上下区段平巷沿煤层倾向炮孔布置图，即图1中Ⅰ-Ⅰ剖面。上下区段平巷各布置3个炮孔，根据表2计算的孔网参数可知孔距为1.2 m。为避免爆破对顶板的破坏，同时考虑到底板的夹制作用，按照最上方炮孔与顶板距离不小于1.2 m，最下方炮孔与底板距离不大于1 m进行设计。已知煤层倾角为30°，通过余弦定理可确定炮孔在煤壁纵向的位置。

图4为下区段平巷沿煤层走向炮孔布置图，即图1中Ⅱ-Ⅱ剖面。根据表2计算的孔网参数可知抵抗线为1m，由此可确定炮孔与工作面煤壁的距离。上区段平巷类比即可。

表3 两种方案装药量计算参考值Table 3 Reference value for charge calculation of two schemes

3 爆破效果分析

从爆破落煤情况来看，整体爆破效果比较理想，爆堆分布集中，大部分煤体抛掷距离不超过1 m，适宜耙斗扒煤；爆破块度较均匀，基本分布在100～300 mm，扒煤顺畅。爆破落煤后，工作面不会出现爆落煤体将工作面下部端头堵塞造成通风不畅的问题，后续爆破循环可改为两排或三排同时起爆。

从现场施工情况来看，一个循环的钻孔可在6 h内完成，按照试验速度，每天可推进1～2个循环，预计工作面月产量能够达到1万t左右，满足矿方预期，为进一步提高钻孔工效，后续可采用第二种炮孔布置方案。

4 结论

(1)为解决大倾角煤层的安全高效开采，提出大倾角煤层无人工作面开采工艺，并引入深孔爆破技术实现工作面落煤。

(2)开展了大倾角无人工作面深孔爆破落煤试验，根据装药量平衡原理，计算出满足现场实际条件的爆破参数，据此提出炮孔布置及装药方案。

(3)爆破效果表明，爆堆分布集中，爆破块度适宜，验证了深孔爆破参数的合理性，设计成果可为后续生产积累重要的实践经验，也可供其他项目参考借鉴。