煤礦井下采掘工作面深孔預裂爆破的操作研究1

煤礦井下采掘工作面深孔預裂爆破的操作研究

摘要：我國煤與瓦斯突出礦井占全部煤礦礦井的17%左右，截至目前，強度超過千噸的突出已發(fā)生過近100次，這些高強度的突出80%發(fā)生在井巷揭穿突出危險煤層時。為有效防治在石門揭煤過程中煤與瓦斯突出事故的發(fā)生，降低在揭煤過程中突出強度和突出次數(shù)，增大低透氣性煤層的透氣性，擴大煤層瓦斯抽采范圍，提高瓦斯抽采效率，保證礦井生產(chǎn)正常接替。本文基于煤礦井下采掘工作面深孔預裂爆破的操作研究展開論述。關鍵詞：煤礦井下；采掘工作面；深孔預裂爆破的操作研究引言煤炭作為目前世界上的主要能源物質之一，其開采是十分的重要的，而在其開采的過程當中，經(jīng)常會遇到斷層，對作業(yè)人員造成很大的困擾，那么煤礦井下過斷層技術就成為了專家們的關注點。只有在煤礦開采過程中安全的通過斷層才能夠進行安全高效的生產(chǎn)。對綜放工作面和掘進工作面的陷落柱深孔預裂爆破試驗，陷落柱深孔預裂爆破技術已取得初步成效。通過不斷摸索和嘗試，積極解決施工組織、爆破方案中存在的各類問題，使該項技術逐漸趨于成熟、可靠，并成功推廣應用，最終達到提高巖石內推進效率的目的。1深孔預裂爆破原理煤巖體爆破將炸藥以一般的幾何形狀裝入煤巖體炮孔一定深度后引爆，則煤巖體就將按下述全部或部分過程發(fā)生破碎：（1）壓應力把煤巖體壓碎；（2）環(huán)箍拉應力與應變波的應力使煤巖體破裂；（3）爆生氣的膨脹使煤巖體中的裂縫擴展。煤礦井下深孔預裂爆破是利用不耦合裝藥在含瓦斯煤層中進行深孔預裂爆破，使煤層爆破孔與弱面內部產(chǎn)生大范圍的網(wǎng)狀裂隙，使瓦斯抽采產(chǎn)生通道，從而瓦斯的抽采率提升，煤層的透氣性得到改善。所以深孔預裂爆破不僅形成一個平面的裂隙網(wǎng)，而且還形成一個以爆破中心為軸三維的裂隙網(wǎng)；其中控制孔充當弱面作為輔助自由面，也作為抽采孔，實施過程總是先完成控制抽采孔，然后預裂爆破。2爆破事項（1）炸藥的選擇，應選擇高作業(yè)功能力，低猛度的炸藥。低猛度可以降低爆生氣體對孔壁煤體的直接作用，進而減小爆破粉碎區(qū)半徑；高作業(yè)功能力有利于爆炸應力波在煤體中的傳播，有利于拉伸裂紋的擴展，增加裂隙區(qū)半徑，提高瓦斯增透效果。預裂孔采用不耦合裝藥結構，導爆索串聯(lián)起爆方式。（2）裝藥結構，在爆破裝藥過程中，裝藥不耦合系數(shù)與封孔長度是決定爆破效果的重要指標。炮孔采用耦合裝藥時，爆破的主要能量用于近區(qū)巖體破碎，導致巖體致裂范圍明顯降低；當采用較大的不耦合裝藥系數(shù)時，爆轟波在空氣介質中傳播衰減加劇，導致應力波峰值顯著降低，因此確定選用合理的徑向不耦合系數(shù)（k=0.8，rc=50.0mm），使得應力波峰值產(chǎn)生壓力降，從而降低了粉碎區(qū)半徑，提高了應力波致裂時間與作用范圍，提高巖體的有效破碎區(qū)域。為了避免傳爆過程中藥卷軸向能量損失，確定軸向為耦合裝藥。爆破孔采用反向裝藥，導爆索插入第1卷藥卷中部并捆綁置于孔底，剩余藥卷通過炮棍實現(xiàn)軸向緊密接觸，避免發(fā)生拒爆，提高爆生能量利用率。預裂孔內外均用導爆索聯(lián)接，可使所有預裂孔內的炸藥盡量同時起爆，以便充分利用爆炸應力波的疊加作用，增強預裂效果。為了保證降振效果，根據(jù)工程經(jīng)驗，預裂孔與第一排主爆孔間的起爆延期時間應不小于100ms，本研究設計取110ms?？變葘?2mm乳化藥卷用膠帶牢固綁扎于導爆索上，每米綁扎2支(每支300g)，距孔底1m范圍內雙倍裝藥，該范圍內綁扎4支藥卷。（3）經(jīng)現(xiàn)場考察和分析，接抽40d時間內，預裂爆破增透區(qū)域煤層瓦斯抽采平均濃度是未預裂增透區(qū)域的2.68倍，瓦斯抽采平均純量較未預裂增透區(qū)域平均提高了2.55倍。（4）通過效果考察，抽采40d后，控制范圍內煤體瓦斯含量均降到8m3/t以下，控制區(qū)域抽采效果達標。（5）封孔結構，爆破孔封孔采用“黃泥（塑性）-封孔水泥（剛性）”結構，為避免能量損失，確定封孔長度不低于孔深的1/3，塑性與剛性封孔長度比值近似為2∶1。封孔段內端采用壓實黃泥封孔，可以使爆生能量產(chǎn)生反射與急劇衰減，降低了沖孔能量，同時隨著黃泥軸向壓縮，進一步強化黃泥對爆生氣體擴散的抵抗能力；同時殘余能量作用于封孔外端水泥，其封孔阻力可完全避免沖孔的發(fā)生，確保能量不損失。（6）礦山通過技術攻關，成功將中深孔爆破技術融入到分段空場嗣后充填采礦方法中，在開采條件滿足的儲礦區(qū)域用以取代效率低、勞動強度大的上向水平分層進路式充填采礦方法，不但提高了企業(yè)經(jīng)營效益、更好地保護了職工安全與健康，而且更加符合以人為本、環(huán)保安全的現(xiàn)代化企業(yè)發(fā)展理念。（7）通過預裂爆破設計及現(xiàn)場爆破試驗，確定了適合礦房中深孔爆破的預裂爆破方案。該方案的成功應用對礦房兩側巖壁的平整與穩(wěn)定起到了關鍵作用，保障了人員與設備的作業(yè)安全。3爆破設計為了確定在該山東地區(qū)煤層中實施深孔預裂爆破技術有效影響范圍，施工前進行數(shù)值模擬。運用軟件COMSOL進行數(shù)值模擬，當鉆孔周圍在受到1×1010MPa的應力波的作用下，鉆孔周圍煤巖的應力分布情況，所采用的數(shù)學模型為流-固耦合模型。模擬過程中所使用參數(shù)源于貴州某礦11#煤層，取完煤樣后送至實驗室進行測定。模擬主要內容：雙孔同時爆破下，爆破能量的耦合效應。在迎頭斷面中采用中深孔預裂爆破方案，需要滿足一定的安全技術條件如下:(1)迎頭斷面爆破后兩側壁面圍巖和頂板需穩(wěn)固，能夠保證出矸設備與人員的作業(yè)安全。(2)爆堆集中，塊度均勻，以減少二次破碎量，便于集中出矸。(3)爆破布孔寬度盡可能與迎頭斷面寬度一致。(4)降低炸藥單耗，減弱爆破對鄰近膠結充填體、建(構)筑設施的破壞作用。(5)為了保障預裂爆破效果，迎頭內爆破巖體應提前做好排水工作，以增強爆炸應力波在縫(壁)面上的反射能力。4深孔預裂爆破工藝工藝流程：打孔—清孔—探孔—藥管制作—裝藥—封泥—爆破。a)打孔。采用CMS1-1200型履帶鉆車進行炮眼施工，炮眼直徑Φ80mm。b)清孔。清理孔內殘渣，使用裝藥器（鋁合金管，長度1.55m，直徑55mm，裝藥器采用快速接頭連接）配合壓風、壓水清孔。c)探孔。為保證炮眼的直徑尺寸，使用裝藥器連接專用探頭（長度180mm，直徑65mm）進行探孔。d)藥管制作。使用礦用二級乳化炸藥，將乳化炸藥去皮裝入被筒（PVC材質，長度1m，壁厚1.5mm，外直徑63mm）內，其一端為外螺紋扣塑料蓋，一端為內螺紋扣塑料蓋，每個被筒大約能裝藥3.5kg。e)裝藥。將藥管首尾連接裝入炮眼，最后1個為引藥管，裝2支同段并聯(lián)雷管。f)封泥。使用直徑60mm炮泥機制作封泥，封泥長度不少于6m。g)爆破。使用發(fā)爆器起爆，多個炮眼同時起爆使用不同段雷管串聯(lián)。結束語煤礦采掘工作面遇陷落柱影響時，往往采用傳統(tǒng)打眼爆破的方式推進，打眼及爆破工序耗時長、效率低，掘進進尺、回采產(chǎn)量任務完成困難。為提高過陷落柱的效率，該煤礦與相關科研院校合作在綜放工作面和掘進工作面分別進行了采煤、掘進工作面的深孔預裂爆破試驗。深孔預裂爆破就是提前在陷落柱內施工深孔，然后裝大量炸藥封泥后再進行正向爆破，保證炮孔1m半徑范圍內的巖石松動裂開，無需人工花費大量時間打眼爆破，采煤機可直接將陷落柱內的巖石割碎運走，進而提高過陷落柱的效率。參考文獻[1]孫傳文.深孔