煤矿井下采掘工作面深孔预裂爆破的操作研究1

煤矿井下采掘工作面深孔预裂爆破的操作研究

摘要：我国煤与瓦斯突出矿井占全部煤矿矿井的17%左右，截至目前，强度超过千吨的突出已发生过近100次，这些高强度的突出80%发生在井巷揭穿突出危险煤层时。为有效防治在石门揭煤过程中煤与瓦斯突出事故的发生，降低在揭煤过程中突出强度和突出次数，增大低透气性煤层的透气性，扩大煤层瓦斯抽采范围，提高瓦斯抽采效率，保证矿井生产正常接替。本文基于煤矿井下采掘工作面深孔预裂爆破的操作研究展开论述。关键词：煤矿井下；采掘工作面；深孔预裂爆破的操作研究引言煤炭作为目前世界上的主要能源物质之一，其开采是十分的重要的，而在其开采的过程当中，经常会遇到断层，对作业人员造成很大的困扰，那么煤矿井下过断层技术就成为了专家们的关注点。只有在煤矿开采过程中安全的通过断层才能够进行安全高效的生产。对综放工作面和掘进工作面的陷落柱深孔预裂爆破试验，陷落柱深孔预裂爆破技术已取得初步成效。通过不断摸索和尝试，积极解决施工组织、爆破方案中存在的各类问题，使该项技术逐渐趋于成熟、可靠，并成功推广应用，最终达到提高岩石内推进效率的目的。1深孔预裂爆破原理煤岩体爆破将炸药以一般的几何形状装入煤岩体炮孔一定深度后引爆，则煤岩体就将按下述全部或部分过程发生破碎：（1）压应力把煤岩体压碎；（2）环箍拉应力与应变波的应力使煤岩体破裂；（3）爆生气的膨胀使煤岩体中的裂缝扩展。煤矿井下深孔预裂爆破是利用不耦合装药在含瓦斯煤层中进行深孔预裂爆破，使煤层爆破孔与弱面内部产生大范围的网状裂隙，使瓦斯抽采产生通道，从而瓦斯的抽采率提升，煤层的透气性得到改善。所以深孔预裂爆破不仅形成一个平面的裂隙网，而且还形成一个以爆破中心为轴三维的裂隙网；其中控制孔充当弱面作为辅助自由面，也作为抽采孔，实施过程总是先完成控制抽采孔，然后预裂爆破。2爆破事项（1）炸药的选择，应选择高作业功能力，低猛度的炸药。低猛度可以降低爆生气体对孔壁煤体的直接作用，进而减小爆破粉碎区半径；高作业功能力有利于爆炸应力波在煤体中的传播，有利于拉伸裂纹的扩展，增加裂隙区半径，提高瓦斯增透效果。预裂孔采用不耦合装药结构，导爆索串联起爆方式。（2）装药结构，在爆破装药过程中，装药不耦合系数与封孔长度是决定爆破效果的重要指标。炮孔采用耦合装药时，爆破的主要能量用于近区岩体破碎，导致岩体致裂范围明显降低；当采用较大的不耦合装药系数时，爆轰波在空气介质中传播衰减加剧，导致应力波峰值显著降低，因此确定选用合理的径向不耦合系数（k=0.8，rc=50.0mm），使得应力波峰值产生压力降，从而降低了粉碎区半径，提高了应力波致裂时间与作用范围，提高岩体的有效破碎区域。为了避免传爆过程中药卷轴向能量损失，确定轴向为耦合装药。爆破孔采用反向装药，导爆索插入第1卷药卷中部并捆绑置于孔底，剩余药卷通过炮棍实现轴向紧密接触，避免发生拒爆，提高爆生能量利用率。预裂孔内外均用导爆索联接，可使所有预裂孔内的炸药尽量同时起爆，以便充分利用爆炸应力波的叠加作用，增强预裂效果。为了保证降振效果，根据工程经验，预裂孔与第一排主爆孔间的起爆延期时间应不小于100ms，本研究设计取110ms。孔内将32mm乳化药卷用胶带牢固绑扎于导爆索上，每米绑扎2支(每支300g)，距孔底1m范围内双倍装药，该范围内绑扎4支药卷。（3）经现场考察和分析，接抽40d时间内，预裂爆破增透区域煤层瓦斯抽采平均浓度是未预裂增透区域的2.68倍，瓦斯抽采平均纯量较未预裂增透区域平均提高了2.55倍。（4）通过效果考察，抽采40d后，控制范围内煤体瓦斯含量均降到8m3/t以下，控制区域抽采效果达标。（5）封孔结构，爆破孔封孔采用“黄泥（塑性）-封孔水泥（刚性）”结构，为避免能量损失，确定封孔长度不低于孔深的1/3，塑性与刚性封孔长度比值近似为2∶1。封孔段内端采用压实黄泥封孔，可以使爆生能量产生反射与急剧衰减，降低了冲孔能量，同时随着黄泥轴向压缩，进一步强化黄泥对爆生气体扩散的抵抗能力；同时残余能量作用于封孔外端水泥，其封孔阻力可完全避免冲孔的发生，确保能量不损失。（6）矿山通过技术攻关，成功将中深孔爆破技术融入到分段空场嗣后充填采矿方法中，在开采条件满足的储矿区域用以取代效率低、劳动强度大的上向水平分层进路式充填采矿方法，不但提高了企业经营效益、更好地保护了职工安全与健康，而且更加符合以人为本、环保安全的现代化企业发展理念。（7）通过预裂爆破设计及现场爆破试验，确定了适合矿房中深孔爆破的预裂爆破方案。该方案的成功应用对矿房两侧岩壁的平整与稳定起到了关键作用，保障了人员与设备的作业安全。3爆破设计为了确定在该山东地区煤层中实施深孔预裂爆破技术有效影响范围，施工前进行数值模拟。运用软件COMSOL进行数值模拟，当钻孔周围在受到1×1010MPa的应力波的作用下，钻孔周围煤岩的应力分布情况，所采用的数学模型为流-固耦合模型。模拟过程中所使用参数源于贵州某矿11#煤层，取完煤样后送至实验室进行测定。模拟主要内容：双孔同时爆破下，爆破能量的耦合效应。在迎头断面中采用中深孔预裂爆破方案，需要满足一定的安全技术条件如下:(1)迎头断面爆破后两侧壁面围岩和顶板需稳固，能够保证出矸设备与人员的作业安全。(2)爆堆集中，块度均匀，以减少二次破碎量，便于集中出矸。(3)爆破布孔宽度尽可能与迎头断面宽度一致。(4)降低炸药单耗，减弱爆破对邻近胶结充填体、建(构)筑设施的破坏作用。(5)为了保障预裂爆破效果，迎头内爆破岩体应提前做好排水工作，以增强爆炸应力波在缝(壁)面上的反射能力。4深孔预裂爆破工艺工艺流程：打孔—清孔—探孔—药管制作—装药—封泥—爆破。a)打孔。采用CMS1-1200型履带钻车进行炮眼施工，炮眼直径Φ80mm。b)清孔。清理孔内残渣，使用装药器（铝合金管，长度1.55m，直径55mm，装药器采用快速接头连接）配合压风、压水清孔。c)探孔。为保证炮眼的直径尺寸，使用装药器连接专用探头（长度180mm，直径65mm）进行探孔。d)药管制作。使用矿用二级乳化炸药，将乳化炸药去皮装入被筒（PVC材质，长度1m，壁厚1.5mm，外直径63mm）内，其一端为外螺纹扣塑料盖，一端为内螺纹扣塑料盖，每个被筒大约能装药3.5kg。e)装药。将药管首尾连接装入炮眼，最后1个为引药管，装2支同段并联雷管。f)封泥。使用直径60mm炮泥机制作封泥，封泥长度不少于6m。g)爆破。使用发爆器起爆，多个炮眼同时起爆使用不同段雷管串联。结束语煤矿采掘工作面遇陷落柱影响时，往往采用传统打眼爆破的方式推进，打眼及爆破工序耗时长、效率低，掘进进尺、回采产量任务完成困难。为提高过陷落柱的效率，该煤矿与相关科研院校合作在综放工作面和掘进工作面分别进行了采煤、掘进工作面的深孔预裂爆破试验。深孔预裂爆破就是提前在陷落柱内施工深孔，然后装大量炸药封泥后再进行正向爆破，保证炮孔1m半径范围内的岩石松动裂开，无需人工花费大量时间打眼爆破，采煤机可直接将陷落柱内的岩石割碎运走，进而提高过陷落柱的效率。参考文献[1]孙传文.深孔