特厚煤层顶煤深孔预裂爆破技术研究

魏天乐

(河南能源化工集团新疆公司 永宁煤化潘津工业煤矿，新疆 伊宁 835000)

目前我国大多数特厚煤层开采均采用综采放顶煤开采技术，相对于厚煤层分层开采，该技术生产能力大、生产效率高，能显著提高经济效益，放顶煤开采成功的关键在于顶煤的冒放性，对于冒放性较差的顶煤需要采取一定的措施来弱化顶煤，提高其冒放性。当前顶煤弱化处理的技术主要包括深孔预裂爆破和煤层注水弱化。深孔预裂爆破弱化顶煤是通过爆破的手段来破碎顶煤，其炮孔间距、钻孔深度、装药量及装药结构等爆破参数都对预裂爆破的效果产生影响。因此，选择合理的爆破参数及爆破方案对顶煤弱化效果至关重要。本文结合潘津煤矿23-25号特厚煤层的工程地质情况，采用理论分析、数值模拟的手段等对顶煤弱化深孔爆破参数进行研究，促进该矿的安全、高效生产。

1 工程概况

潘津煤矿二采区23-25号煤层为浅埋特厚煤层，煤层厚度12.49～20.87 m，平均厚度17.03 m，该煤层采用放顶煤开采一次采全厚技术，采高为2.8 m。根据潘津煤矿23-25号煤层赋存条件可知，该煤层结构简单，煤层内有1～6层夹矸，绝大部分区域夹矸2层，厚度均为0.3 m左右；多赋存于煤层上部，即距离支架较远；夹矸的岩性多为泥岩、炭质泥岩、炭质砂岩，强度大于煤层，属于软弱岩层。潘津煤矿23-25号煤层结构如图1所示。虽然整体上看，23-25号煤层顶煤基本上能随采随冒，冒放性较好；但为了进一步提高顶煤放出率，避免过大的顶煤厚度在矿山压力及支架反复支撑作用下不能及时破碎冒落，或破碎块度太大，结合潘津煤矿23-25号特厚煤层当前的开采条件及现场实际开采情况，拟采用深空预裂爆破技术弱化顶煤，提高顶煤破碎程度，进一步提高厚顶煤的冒放性，避免顶板安全事故。本文基于潘津煤矿的煤层地质条件、煤体的力学特性等对顶煤弱化深孔爆破参数进行研究，制定合理的爆破方案。

图1 潘津煤矿23-25号煤层结构示意Fig.1 Structural diagram of No. 23-25 coal seam in Panjin Coal Mine

2 顶煤深孔预裂爆破参数研究

2.1 深孔预裂爆破原理及爆破分区计算

煤体在爆破作用下的破坏实质上是爆破应力波与爆生气体的共同作用结果[1]；药包起爆后，炮孔壁煤体在爆轰产物的冲击下压裂，形成空腔；之后冲击波衰减为应力波，当其压力值低于煤体的抗压强度时，煤体不在被压缩破坏，而是在应力波拉应力作用下产生拉伸破坏，形成初始径向裂隙；基于岩石断裂力学[2]可知，在应力波的持续作用下，当裂纹尖端的动态应力强度因子大于其断裂韧度时，初始裂纹扩展。爆生气体的作用滞后于应力波的作用，但作用时间更长；爆生气体在岩石内部形成准静压力场[3]，在其压力作用下裂纹进一步扩展，直到裂纹尖端的应力强度因子小于其岩体的断裂韧度时，裂纹止裂。之后应力波衰减为弹性地震波，仅对煤体产生扰动。

在不耦合装药条件下，爆破压碎区的半径为[4]：

(1)

裂隙区半径为：

(2)

弹性震动区半径可按式(3)估算：

(3)

式中，Rs为弹性震动区半径；q为单位体积顶煤爆破装药量。

2.2 深孔预裂爆破参数选取

(1)炸药的选取。为使平均14 m厚顶煤达到充分预裂的效果，应选用高威力炸药；为避免爆炸近区形成较大的破碎区，减小爆破能量的消耗，增大裂隙区半径，提高裂隙区应力波能量，延长作用时间，在保证炸药威力的前提下，应选用猛度较低的炸药。因此，选用二级煤矿许用乳化炸药。该炸药的密度为1 000 kg/m3，炸药爆速为3 600 m/s。

(2)炮孔参数与不耦合系数的确定。径向不耦合装药时，由于药包与孔壁间空气(或水)的存在，爆炸冲击波和爆生气体不直接作用于孔壁，而是先对空气介质进行压缩，再由空气介质向岩石中传递爆炸能量；降低了冲击波峰值，孔壁能量分布更均匀，减小了压碎区及近区裂纹数，延长了爆生气体的准静态作用时间，使裂纹进一步扩展。根据前人的理论分析以及研究结果[5]，同时考虑到导爆索的影响，K=1.2～1.3比较合理，最终的取值通过数值分析确定。

(3)封孔及炮孔装药结构。封孔长度影响着装药爆炸的作用效果，当封孔长度太短时，由于炸药破坏能力大于煤体抗爆力而容易产生抛掷漏斗，甚至发生冲炮现象；当封孔长度过长时，炸药的破坏能力小于煤体抗爆力，产生爆破威力不足，难以达到较好的预裂效果。因此需要确定合理的封孔长度与装药长度，一般情况下为20%～35%。

(4)起爆方式。为防止深孔预裂爆破拒爆、殉爆的发生，提高爆破效果，采用孔底反向起爆，同时采用双电雷管引爆导爆索、导爆索再引爆炸药的引爆方式；爆破采用一次装药，分段毫秒延时爆破。

2.3 深孔预裂爆破参数数值分析

为选择合理的径向不耦合系数及封孔长度，采用通用非线性动力分析软件LS_DYNA研究不耦合系数、封孔长度对深孔预裂爆破效果的影响。爆破模拟采用任意拉格朗日—欧拉(ALE)算法，单孔台阶爆破数值建模过程中，分别建立炸药、煤体、黄土(堵塞物质)、以及空气的准二维实体模型[6]，模型尺寸为700～1 000 cm，为简化计算模型，模型中炮孔长度取500 mm；模型四周采用无反射边界条件。煤体采用lagrange算法，炸药、空气、堵塞物质采用多物质ALE算法，通过流固耦合定义炸药和煤体的接触关系；模拟中采用HJC模型[7]来模拟煤体爆破过程，煤体的力学参数为：密度为1 280 kg/m3，煤体中的声速为2 100 m/s，泊松比为0.325 6，单轴抗压强度为13.305 2 MPa、单轴抗拉强度为0.875 4 MPa。模拟中药包采用多点起爆、底部起爆的方式。数值模拟方案见表1。

表1 爆破数值分析方案Tab.1 Analysis scheme of blasting numerical

各爆破方案煤体损伤如图2所示，通过方案1与其他方案对比发现，由于采用不耦合装药，煤体爆破损伤区域明显增大，说明不耦合装药能有效利用爆炸能量，提高爆破的效果。

对比方案2、方案3及方案4，可以看出虽然总的煤体损伤区域没有明显改变，但随着封孔长度的增加，煤体损伤度D大于90%的红色区域(可近似看作煤体的压碎区)面积减小，与方案2相比，方案3压碎区范围减少较少，但方案4压碎区范围减少明显；炮孔封孔段煤体损伤程度较小，且封孔长度越大，其低损伤区域面积越大；因此为了充分利用爆炸能量，又不影响孔底段煤体的预裂效果，综上选取封孔系数为0.25。图3为方案2、方案5及方案6炮孔壁测点的压力时程曲线，测点位置均为炮孔中段孔壁，从图中可以看出，不同方案炮孔壁的压力变化趋势相同，但随着不耦合系数的增大，炮孔壁受到的爆炸压力峰值载荷不断减小；从图2中发现，随着不耦合系数的增大，煤体压碎区的面积不断减小，但由于方案2和方案3所选不耦合系数较为接近，导致煤体总的损伤区域变化不明显，但方案6的损伤区域有明显减小，这是由于爆炸能量过多地消耗在气体上，影响裂隙发育；综上选择不耦合系数为1.25。

图3 炮孔壁测点压力时程曲线Fig.3 Pressure time history curve of borehole wall measuring point

2.4 深孔预裂爆破参数确定

根据潘津煤矿23-25号煤层地质条件、煤体力学特性及数值分析结果，确定药包直径50 mm，理论计算炮孔直径为62.5 mm，实际取62 mm，药包规格为50 mm×580 mm；轴向无空气柱，取le=1.0，封孔系数选取0.25。并将以上参数代入式(1)—式(2)，计算得到爆破下顶煤破碎区半径、裂隙区半径分别为0.836 4、3.942 6 m，弹性震动区半径约5.6 m。裂隙区范围内的煤体破碎效果即可满足顶煤达到预裂的目的，即取裂隙区半径为顶煤爆破有效破坏半径等；结合超前支承压力的影响，并考虑钻孔平行布置，取炮孔间距为8 m。装药结构如图4所示。

图4 装药结构Fig.4 Charge structure diagram

3 顶煤预裂爆破方案

深孔顶煤爆破预裂卸压的关键在于通过爆炸产生的应力波动态效应和爆生气体的“气楔”作用，使顶煤产生预裂隙，并非崩落煤体，而是破坏其整体连续性、高应力及能量积聚和连续传递的条件，同时随着工作面的推进，使顶煤在超前支承压力及支架初撑力作用下能及时冒落，达到提高顶煤破碎度、减小顶煤冒落块度的目的。为此，钻孔施工位置应布置于工作面前方超前支承压力影响范围内，并根据周期来压的顶板监测预警结果，合理适时选择爆破时机。本文在此提出了两巷超前预裂深孔爆破的顶煤预裂方案，该方案巷道掘进量少，对顶煤爆破效果好。

两巷超前深孔预裂爆破钻孔布置平剖面如图5所示。为避免打钻作业与两巷运煤运料作业相互干扰，同时为方便钻孔以更好的角度进入顶煤当中，提高爆破效果，设计了两巷顶煤钻场，如图5(b)所示，在每段来压区域，提前向两巷煤壁侧顶煤内部掘钻场硐室，在钻场硐室内进行预裂爆破钻孔的施工作业。此外，当现场施工困难、工程量较大、两巷运输作业与钻孔爆破作业干扰较小时，可进一步简化爆破钻孔布置方式，采用直接在巷帮进行打孔作业的方式，如图5(c)所示，普通钻场对钻孔施工质量与装药封孔质量要求较高，实施过程中要精确控制钻孔角度、长度、装药位置、封孔长度等参数。两巷超前深孔预裂爆破措施采用双侧底层巷布孔法布置，沿工作面推进方向孔间距为8 m，每个钻场布置3个炮孔，炮孔参数见表2。

图5 两巷超前深孔预裂爆破钻孔布置Fig.5 Layout of two roaday advanced deep hole presplitting blasting drilling

表2 炮孔爆破措施主要参数Tab.2 Main parameters of blast hole blasting measures

4 爆破现场监测

在潘津煤矿2301综放工作面应用设计的爆破方案后，为了观察顶煤爆破后的弱化效果，在工作面回风巷布置了位移实测钻孔，测点的布置如图6所示。在工作面回风巷道的预裂爆破区和未爆破区内打了不同高度的 4 个钻孔，在钻孔内装入位移传感器。在工作面的采动过程中，观测记录顶煤的位移变化，各测点顶煤位移量如图7所示，从图7可以发现，爆破弱坏顶煤以后，随着工作面的推进，顶煤的位移量大于未爆破区，冒落的效果明显好于未爆破区；说明深孔预裂爆破能有效地弱化顶板。

图6 位移监测点Fig.6 Displacement monitoring points

图7 不同测点顶煤位移量Fig.7 Displacement of top coal at different measuring points

顶板弱化之后，采用一刀一放双轮间隔放煤、放煤步距0.6 m的采放工艺。在现有设备情况下，采高3 m、长90 m工作面的特厚煤层综放开采当中，采用顶煤深孔预裂爆破、采放工艺优化、减少初末采及端头损失等措施，采区采出率统计后可以达到了82.5%，满足《煤矿安全规程》对厚煤层采出率达到75%的要求。

5 结论

(1)本文以潘津煤矿二采区23-25号煤层具体工程地质条件为背景，为了使厚14 m的顶煤充分冒落，进一步提高顶煤放出率，提出采用深孔预裂爆破的方式来弱化顶煤。

(2)基于前人的研究，分析了深孔预裂爆破的原理及爆破作用下煤体的分区特性，对深孔预裂爆破参数进行了合理的优化，并利用ANSYS_LSDYNA数值分析软件分析了不耦合系数及封孔系数对煤体爆破损伤的影响，确定不耦合系数为1.25，封孔系数为0.25；依据最终确定的参数计算得到爆破下顶煤破碎区半径、裂隙区半径分别为0.836 4、3.942 6 m，弹性震动区半径约5.6 m，并确定炮孔间距为8 m。

(3)提出了两巷超前预裂深孔爆破的顶煤预裂方案，为避免钻孔施工与辅运巷道相互干扰，提高钻孔作业的效率，设计了两巷顶煤钻场；而在现场施工困难、工程量较大时仍然使用普通钻场，并给出了具体的炮孔布置参数。在现场工程实践中，对顶煤位移进行监测，发现爆破区顶煤的位移明显增大，冒落效果好。

(4)矿山通过深孔预裂爆破顶煤弱化技术，使综放工作面的煤炭采出率达到了82.5%，并且有效地预防了顶板灾害的发生，为企业带来经济利益的同时，促进了矿山的安全、高效生产。