劉寶敏

(河南平禹煤電有限責(zé)任公司，河南禹州 461670)

0 引言

堅(jiān)硬煤層的普氏堅(jiān)固性系數(shù)一般能達(dá)到2.5以上，煤質(zhì)堅(jiān)硬致密，煤體節(jié)理裂隙不發(fā)育。在開(kāi)采過(guò)程中，常規(guī)的煤層注水很難對(duì)其煤體裂隙進(jìn)行充分壓裂。爆破是礦山放落礦體和破碎巖體的常用方法，爆破致裂作為增強(qiáng)煤體注水效果的一種手段，它明顯不同于常規(guī)的井下爆破。分析爆破致裂的最終目的和作用形式，它具有下述顯著特點(diǎn):①爆破致裂只有一個(gè)自由面(巷道幫面)，但其與炮孔軸向垂直，且由于保護(hù)煤壁的需要，這個(gè)自由面實(shí)際上不能利用，因此頂煤預(yù)先爆破實(shí)際上沒(méi)有爆破自由面，而礦山各種常規(guī)爆破中都至少存在有一個(gè)明顯的爆破自由面［1－3］。②爆破致裂中，為了保護(hù)有限的作業(yè)空間環(huán)境，爆破中不允許產(chǎn)生拋擲或沖炮現(xiàn)象，應(yīng)將爆破作用主要控制于對(duì)頂煤體內(nèi)部的損傷破壞，因此爆破致裂不產(chǎn)生明顯的外部作用現(xiàn)象，而常規(guī)爆破中都要發(fā)生爆破拋擲、爆破漏斗，或產(chǎn)生可以直接觀察到的爆破預(yù)裂面、爆破松動(dòng)裂縫等明顯的外部作用現(xiàn)象［5－6］。③爆破致裂的炮孔深度達(dá)到40～60 m以上、單孔裝藥量達(dá)到及一次起爆藥量相對(duì)較大，而煤礦井下常規(guī)爆破一般炮孔深度不超過(guò)4 m、單孔裝藥量不超過(guò)3 kg、一次起爆炸藥量?jī)H幾公斤到幾十公斤［7－9］。④井下常規(guī)爆破由于具有明顯的外部作用現(xiàn)象，爆破作用結(jié)果易于直接觀測(cè)，但爆破致裂爆破作用的結(jié)果不易直接觀測(cè)［10－11］。

從上述特點(diǎn)可以看出，爆破致裂是明顯不同于井下常規(guī)的拋擲爆破、破碎爆破、松動(dòng)爆破和預(yù)裂爆破形式的一種特殊爆破形式?；诖?，筆者以平頂山礦區(qū)某煤礦為研究對(duì)象，通過(guò)爆破致裂的方法來(lái)豐富堅(jiān)硬煤層的裂隙數(shù)量，可以增加煤體的注水效果，從而更好的預(yù)濕煤體，達(dá)到降低煤層開(kāi)采的難度及開(kāi)采過(guò)程中的煤塵濃度的目的。

1 工作面概況

平頂山礦區(qū)某煤礦21100綜采工作面位于二水平西翼。該面設(shè)計(jì)走向機(jī)巷2055m，風(fēng)巷1888m，開(kāi)切眼斜長(zhǎng)160 m，機(jī)巷繞道117 m，可采走向1833 m，可采儲(chǔ)量0.547 Mt。煤層平均傾角15°，平均煤厚1.3 m。煤層頂板一般為直接頂巖性為中粒砂巖，局部有偽頂厚度0.5至1.2 m，平均0.8 m，巖性為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等。煤層底板為細(xì)砂巖，偽底為多層泥巖、砂巖組合，厚0.15至0.5 m，直接底為中粒砂巖，厚約4 m。共有3條斷層，落差均在2 m以下，對(duì)回采都有影響。

2 爆破致裂技術(shù)應(yīng)用及效果分析

2.1 單孔爆破致裂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

2.1.1 裝藥與封孔

爆破鉆孔直徑Φ75 mm，鉆孔長(zhǎng)度40 m，鉆孔傾角與煤層傾角相同，為3～5°俯角。藥卷直徑為50 mm，其不耦合系數(shù)為1.25，藥卷使用阻燃、抗靜電PVC塑料管，藥卷長(zhǎng)度1000mm，相臨藥卷之間通過(guò)接觸實(shí)現(xiàn)傳爆。由于裝藥前對(duì)炮孔用高壓水進(jìn)行了清洗，裝藥比較順利，此次裝藥長(zhǎng)度24 m，藥量48 kg，炸藥采用正向起爆，作為起爆頭的藥卷距孔口9 m。裝藥完畢后用抽水器將距孔口4～5 m處的水抽掉，然后用黃泥封孔，擴(kuò)裂爆破盡管整個(gè)炮孔的裝藥量較大，但是其線裝藥密度只有2 kg/m左右，因此，整個(gè)炮孔的能量并不大，炮孔的填塞物長(zhǎng)度并不需要很長(zhǎng)，一般用粘土填塞2.0～2.5 m即可。本次取封孔長(zhǎng)度為2 m。即中間有7 m的鉆孔既不裝藥也不封泥，作為爆炸緩沖區(qū)。

2.1.2 效果考察

起爆后，響聲不大，震動(dòng)效應(yīng)較強(qiáng)，且煤壁在應(yīng)力波的作用下位移量較大，爆破孔附近巷道寬度有爆破前的346 cm變?yōu)楸坪蟮?08 cm，即煤壁向巷道內(nèi)運(yùn)動(dòng)了38 cm;試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，將封孔的炮泥掏出后，發(fā)現(xiàn)孔的前端已變形，不能進(jìn)行封孔注水，因此，檢測(cè)試驗(yàn)注水只能在新鉆的檢驗(yàn)孔中進(jìn)行。并在爆破影響范圍之外打一個(gè)對(duì)比孔進(jìn)行注水效果對(duì)比。在距爆破孔4 m的地方鉆一個(gè)長(zhǎng)度15 m、孔徑為53 mm的檢測(cè)孔，在檢測(cè)孔處注水，注水壓力2.5 MPa，考察注水流量及注水總量，并在爆破影響范圍以外打一個(gè)對(duì)比孔進(jìn)行注水情況對(duì)比，具體注水情況見(jiàn)下圖1。

從圖3來(lái)看，爆破后檢驗(yàn)鉆孔注水速率與注水量較對(duì)比孔明明顯增加，注水13個(gè)小時(shí)后，注水量比沒(méi)有采用爆破致裂的高3.2倍，注水速度提高2.59倍。這說(shuō)明爆破孔爆破后的裂紋擴(kuò)展范圍已到達(dá)距爆破孔4 m的地方。

2.2 雙孔爆破致裂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

2.2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

雙孔同時(shí)爆破時(shí)，激起的壓應(yīng)力波沿兩炮孔的連心線相向傳播，相遇時(shí)發(fā)生相互疊加，結(jié)果沿炮孔連心線的壓應(yīng)力σ壓相互抵消，拉應(yīng)力σ拉得到加強(qiáng)，若兩炮孔相距較近，疊加后的拉應(yīng)力超過(guò)煤體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，則沿炮孔連心線產(chǎn)生徑向裂隙，使兩炮孔間裂隙相互貫通。爆轟氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜壓作用，使兩炮孔連心線上各點(diǎn)均產(chǎn)生很大的切向拉應(yīng)力，在炮孔連線和炮孔壁相交處產(chǎn)生應(yīng)力集中。因而，拉伸裂隙首先出現(xiàn)在炮孔壁，然后沿炮孔連心線向外延伸，貫通兩個(gè)炮孔。

圖1 單孔爆破注水效果對(duì)比圖

根據(jù)爆破的一般經(jīng)驗(yàn)，雙孔同時(shí)起爆時(shí)，雙孔之間破裂區(qū)的半徑可達(dá)單孔爆破裂隙區(qū)半徑的1.5倍左右。由于單孔的破裂半徑達(dá)到了4 m，所以本次雙孔爆破的孔間距為12 m，在兩孔中間鉆鑿一個(gè)30 m深的檢測(cè)孔，檢驗(yàn)孔距離兩爆破孔分別為5 m和7 m?？紤]到鉆機(jī)打俯角鉆孔難度大，另外俯角鉆孔沖孔比較困難，容易在孔內(nèi)留有煤泥，影響裝藥，本次所有鉆孔均為仰角鉆孔。由于上次單孔爆破時(shí)孔口煤壁破壞較為嚴(yán)重，本次孔口預(yù)留20 m不裝藥，填塞長(zhǎng)度2 m，即留18 m作為爆破緩沖區(qū)。裝藥量為1號(hào)孔75.68 Kg;2號(hào)孔75.2 Kg。在兩爆破孔間打一檢驗(yàn)孔。

2.2.2 效果考察

較單孔爆破，雙孔爆破采取了多鐘手段驗(yàn)證其爆破效果:①孔口破壞情況、巷道煤壁及頂?shù)装逦灰屏俊１坪?，爆破殘孔破壞較小，只在孔口很小范圍內(nèi)產(chǎn)生坍塌，對(duì)巷道煤壁基本沒(méi)有影響。②鉆孔窺視。通過(guò)爆破前后對(duì)兩爆破孔之間的檢驗(yàn)孔進(jìn)行裂隙窺視，發(fā)現(xiàn)爆破前后在檢驗(yàn)孔同一位置孔壁裂隙有明顯變化，說(shuō)明爆破后裂隙擴(kuò)展到了檢驗(yàn)孔位置。③檢驗(yàn)鉆孔注水。爆破完畢后，對(duì)兩爆破孔之間的Φ53mm檢驗(yàn)孔進(jìn)行注水，注水壓力2.5MPa，采用封孔器封孔。注水情況見(jiàn)表1。從表1中可看出，隨注水時(shí)間的增加注水量上升比較快，總注水時(shí)間為90分鐘，累計(jì)注水量為3.295 m3，注水流量達(dá)到2.2 m3/h左右。注水90分鐘后，1號(hào)爆破殘孔內(nèi)出水，并且1號(hào)爆破孔與檢驗(yàn)孔之間的煤壁出現(xiàn)大范圍滲水，說(shuō)明1號(hào)爆破孔與檢驗(yàn)孔之間5 m范圍內(nèi)的裂隙已經(jīng)貫通。④煤機(jī)推進(jìn)至爆破處時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)為進(jìn)一步考察爆破效果，在煤機(jī)推進(jìn)至爆破地點(diǎn)時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察。結(jié)果表明，兩爆破孔之間的煤體裂隙明顯，說(shuō)明經(jīng)過(guò)雙孔爆破致裂，兩孔之間的煤體裂隙已全部貫通。從以上各檢驗(yàn)方式可看出，雙孔爆破致裂效果顯著，其裂隙擴(kuò)展范圍達(dá)到6 m左右，爆破裂隙擴(kuò)展范圍為單孔爆破裂隙擴(kuò)展范圍的1.5倍左右。所得裂隙區(qū)范圍在所給公式計(jì)算范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了本文計(jì)算公式的正確性。

表1 檢驗(yàn)孔注水情況統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

雙孔同時(shí)爆破破壞機(jī)理比單孔爆破復(fù)雜，與單孔爆破相比具有能量利用率高、增加裂隙區(qū)范圍等優(yōu)點(diǎn)。雙孔爆破致裂后，通過(guò)鉆孔窺視、檢驗(yàn)鉆孔注水、煤機(jī)推進(jìn)至爆破處時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)等方式進(jìn)行了效果考察。結(jié)果表明:雙孔爆破致裂效果顯著，其裂隙擴(kuò)展范圍達(dá)6 m，爆破裂隙擴(kuò)展范圍為單孔爆破裂隙擴(kuò)展范圍的1.5倍左右。采用雙孔爆破致裂技術(shù)，明顯提高了注水量，進(jìn)一步降低了工作面開(kāi)采過(guò)程中的粉塵濃度。

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