8508 综放工作面过陷落柱深孔爆破技术的优化

2022-05-16王永星

山东煤炭科技 2022年4期

王永星

（潞安化工集团有限公司阳泉五矿，山西阳泉 045000）

1 概况

阳泉五矿8508 工作面15#煤层整体为褶皱构造，回采前期为背斜构造形态，回采后期为向斜构造形态。煤层倾角为2°～15°，平均6°左右，采用了综合机械化低位放顶煤采煤工艺，实行“两采一放，追机放顶煤”的作业方式。在工作面存在4个陷落柱：距切巷92 m、115 m、281 m、609 m 处分别存在回风巷揭露的陷落柱X1（42 m×16 m）、高抽巷揭露的陷落柱X2（38 m×31 m）、进风巷揭露的陷落柱X3（60 m×58 m）、陷落柱X4（266 m×83 m）。过陷落柱区域的岩层强度较大，因此综采作业时主要采用浅孔爆破、平推硬过的方案，采煤机的截齿磨损极为严重，综采效率低，且存在安全隐患。

为了解决上述不足，项目组提出了深孔预裂技术方案，采用组合装配式的扩裂弹体，提升了阳泉五矿综采面在过陷落柱区域的作业效率和安全性。

2 扩裂弹体及装药器结构优化

爆破药在爆破孔内的位置直接影响到爆破效果和安全性，传统的爆破过程中所用的爆破药为柔性较大的乳化药[1]，在装药时需要人工慢慢放入炮眼内，而在陷落柱区域，炮孔内的岩石碎裂性大、钻孔时的岩粉清洗不彻底，导致在推送药包时很容易出现卡阻。药包推进不到位或者药包不连续，不仅影响爆破预裂效果而且给爆破作业造成安全隐患。

新的组合装配式的扩裂弹体[2]，用于解决药包推送不到位、药包不连续的难题。新的扩裂弹体采用了PVC 外壳结构，弹体的外径为62 mm，最大装药长度为1 m，PVC 外壳壁厚为1.6 mm，弹体之间能够通过快速连接装置连接，从而满足不同深度爆破孔的装药需求；弹体的端部采用了圆柱形结构，便于通过不光滑的爆破孔；弹体为PVC 材质，不仅具有良好的阻燃、抗潮性，而且不会与瓦斯、粉尘发生反应，稳定性高。

3 深孔预裂爆破仿真模拟

深孔预裂爆破的工艺参数选择直接决定了爆破效果。目前多数煤矿爆破参数的制定主要是依据传统爆破经验，缺乏科学的理论分析和指导，安全性较差。本文提出利用LS-DYNY 力学仿真分析软件[3]对不同爆破工艺参数进行仿真分析的方案。根据井下地质调研，设置岩层的容重为2835 kg/m³，设置其弹性模量为34 MPa，泊松比为0.29，岩层的动态抗压强度为39.6 MPa。

根据阳泉五矿井下的实际情况，对装药半径为20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm情况下的爆破预裂效果进行仿真分析，结果如图1。

图1 不同装药直径情况下的爆破效果图

由仿真分析结果可知，随着装药直径的增加，爆破后的影响范围随之扩大，爆破影响范围约为装药直径的23 倍。在爆破时炮孔周围的围岩先被冲击波强烈压缩，然后再向外扩散，对爆破孔周围岩石的毁伤效果也随着装药量的增加而增大。当爆破孔直径为70 mm 时，虽然爆破效果更好，但岩石碎裂范围过大，而且碎裂程度过高会导致爆破后四周围岩不稳定性增加，影响井下综采安全，因此爆破药直径选择为60 mm。

4 深孔爆破参数

根据仿真分析结果及煤矿井下的实际地质情况，在井下陷落柱边缘约10.56 m 的位置开始设置爆破孔，爆破孔的间距设置为2000 mm，每个爆破孔的深度设置为9 m，孔与孔之间的距离为2.4 m，炮孔直径为91 mm。考虑到过陷落柱区域的地层条件较为敏感，因此一次爆破时的装药量不易过多，防止出现垮塌事故。根据仿真分析及验算，其单次爆破时的装药量不大于180 kg。为了提高爆破的安全性，各个炮孔内的装药全部采用正向装药结构[4]，所有的雷管均采用串联的形式设置在起爆器上。炮孔布置结构如图2。

图2 陷落柱区域深孔爆破孔设置示意图（m）

为了保证爆破药设置后不受潮，且保证爆破时能量不被分散，对爆破孔的填塞工艺要求较高。对多种封孔方案进行验证后，确定封孔材料用黄土和砂石按3:1 的比例混合后加入1%组分的防潮剂构成，用模具加工成直径为60 mm、长度为300 mm的圆柱形结构。封孔时的封孔长度选择6.3 m，保证封堵的可靠性。装药结构如图3[5]。