爆破过地质构造技术在祥升矿工作面的应用

李虹霖

（山西寿阳潞阳祥升煤业有限公司，山西 寿阳 045400）

0 引言

由于部分陷落柱或者断层褶曲岩石硬度较大，采煤机进行强性截割，容易产生大量的火化，引爆工作面的瓦斯。同时，对于坚硬岩层，会增加采煤机等机电设备的损害程度[1-5]。因此，为了实现构造区煤矿安全高产高效回采，需要研究切实可行的快速过地质构造的方法。本文结合祥升矿3301工作面地质概况，采用深孔爆破技术过陷落柱异常区。

1 工程概况

3301综采工作面是祥升矿3号煤三采区首采面，3号煤层位于山西组中部，K6砂岩下27.38 m，下距6号煤9.46 m，煤厚0.99～3.10 m。含0～2层夹石，结构简单。顶板为砂质泥岩、碳质泥岩，底板为砂质泥岩，少量为细砂岩，属稳定的全区可采煤层。

根据地测部下发的地质预报，3301工作面将通过X13陷落柱YC2异常区，区域范围较大，主要集中在96—109号架，预计该处岩石厚度1.5 m，煤厚0.5 m，岩石范围将逐渐缩小，预计推进30 m过完该异常区。YC2异常区内瓦斯含量为4.8～5.7 m3/t，瓦斯压力值为0.1～0.15 MPa之间。根据3301工作面前期回采段地质资料及已掘巷道的水害情况分析及工作面瞬变电磁报告显示，工作面回采范围内无其他明显异常区，预计回采前方可能出现顶板淋水现象，主要为岩层裂隙水，特别是锚索淋水。预计正常涌水量1～5 m3/h，最大涌水量10 m3/h。

2 深孔爆破设计原则

超深孔爆破对于煤矿系统来说并不陌生，其应用已有很多年的历史了，如瓦斯抽放时采用50～70 m超深钻孔扩裂爆破就有很多报道[6]。采用超深孔扩裂爆破处理矿井综采工作面大型构造的研究，需要解决超深孔爆破技术的实用性和可操作性问题，也就是说要在确保安全的前提下高效、快速的通过大型构造的问题。根据超深孔爆破已有的研究成果和《煤矿安全规程》的要求，设计技术方案。由于超深孔爆破药量较大，影响范围大。为了摸清岩石介质与爆破参数之间的关系，钻孔设备所能达到的定位精度，以及结合采煤工艺参数，确实保证试验的安全、可控，并达到预期的爆破效果，确定如下爆破试验的设计原则：

1）根据采煤高度，将爆破破碎范围控制在采高范围内，尽最大努力不伤及到顶、底板。

2）对爆破区域必须一次性破碎到位，避免重复爆破处理时的钻孔困难和效率低下的问题。

3）控制一次起爆药量，弄清爆区瓦斯和煤尘（煤尘具有爆炸性）情况，若不清或有疑问时，必须查清或采取措施后再施工，以确保生产安全。

根据上述原则和3301工作面的采高参数，以及以前研究的药卷直径与爆破破坏范围的经验，暂时确定药卷直径63 mm、炮孔深度15～20 m、一次爆破药量控制在200 kg以内。

3 爆破设计方案

3.1 钻孔设计

爆破钻孔施工设计如图1所示，具体参数及要求见表1。

图1 钻孔设计图

表1 深孔预裂爆破钻孔参数

施工要求：要严格按照设计要求施工,记录并检查钻孔深度、角度、数量、钻孔煤岩段长度情况;钻孔时尽量将孔内煤渣排除，要求钻杆钻到规定深度时钻机空转5 min。

3.2 钻孔设备

工作面爆破打孔采用Z DY4200L煤矿用履带式全液压坑道钻机，属于自行式、低转速、大转矩类型，适于采用复合片钻头施工深度约500 m的大直径钻孔。钻机设备技术参数见表2。

表2 Z DY4200L钻机技术参数

炮孔孔径为75 mm，钻杆直径为63 mm，每根钻杆长度为1.5 m。本次爆破采用较大的钻杆，对于钻孔防跑偏具有重要意义。采用P DC内凹三翼加强型钻头，钻头直径为75 mm，在硬度系数80～100 MPa的复杂岩层中钻进适应力强，具有较好的稳定性，排屑利，进尺迅猛，是完成一般钻孔的首选工具。

3.3 钻孔防跑偏设计

井下打钻过程中钻头所需推力由钻机推进系统提供，钻杆处两端受压状态。由于排屑的需要，钻杆的直径小于钻头的直径，即孔壁与钻杆外壁之间存在一个排屑间隙，而钻进过程中钻头与钻杆整个钻具处于两端受压状态，造成钻杆有一个微量的弯曲，进而引起钻孔的“跑偏”。

为了解决这一问题，在钻头的后方加装一个定向装置，如图2所示。定向装置有3部分组成：外筒、内管和辐射状支撑筋，其中内管直径和钻杆直径相同，用于和钻杆相连；外筒直径比钻孔直径略小，这样可以保证钻头后方的钻杆不会产生弯曲，进而防止钻进过程中的“跑偏”；外筒和内管之间以辐射状的支撑筋连接，支撑筋间留有空隙，用于排渣。

图2 钻孔防跑偏装置

3.4 装药设计

为了使超深孔爆破的装药更为顺利、更为方便，根据爆破模拟实验和柱状药包爆破破裂区范围，特设计了适用于煤矿爆破壳体结构。该壳体结构为P V C管材质，其外径为50 mm、内径2 mm；有效装药长度为2 000 mm，并且各壳体之间可以通过专用接头连接。因此，采用这种壳体的装药结构，可以为装药和爆破带来如下好处：

1）具有抵抗爆炸冲击波或爆炸应力波的压缩作用，减小炸药动压减敏作用。

2）药包具有一定的刚度，使药包与炮孔之间更具有适应性，装药更为顺利和通畅。

3）各药包之间可以紧密连接起来形成药柱，并且它们的连接均具有一定的强度，在装药时可以使整个药柱自由进出，可以避免装药还没有装到位而卡在孔中无法处理的情况，有利于爆破安全。

4 实施效果

当3301工作面皮顺现推进至247 m，轨顺推进至248 m时，已经在工作面17-25号架揭露该异常区。经深孔爆破后，X13陷落柱的YC2异常区的岩石被弱化，可使用采煤机直接切割的方式通过。钻孔准确性较好，爆破效果可控。

5 结语

基于祥升矿工作面采煤过X13陷落柱YC2异常区时割煤速度缓慢的问题，本文设计采用深孔爆破技术方案，设计钻孔防跑偏装置，使陷落柱异常区的岩石变软，提高了过陷落柱异常区的速度，保障了工作面安全回采。