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深孔爆破预裂隐蔽构造机理及区域治理技术研究

2024-01-12 110 上传者：管理员

摘要：深孔爆破松动是目前预裂隐蔽构造常用技术，但是其爆破机理还有待深入研究。文章探讨了深孔爆破的优势和机理，结合山西余吾煤业S5101工作面过DX6陷落柱的爆破实践建立深孔爆破模型，分析爆破半径和效果得出结论：深孔爆破预裂隐蔽构造采用深孔爆破的方法可降低岩石强度，控制生产成本，确保生产安全，提高生产效率。

关键词：
深孔爆破优势
深孔爆破机制
深孔爆破模型
深层爆破
过煤高度
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20世纪，大口径深孔爆破开采技术得到了快速发展，因其高落矿率、低成本和安全性高，在厚大矿体的开采中得以广泛应用[1]。我国于1977年开始大直径深孔爆破落矿技术研究，于1984年在凡口铅锌矿成功试验了大直径深孔球状药包爆破落矿工艺技术[2]。目前，依据爆破位置可划分为浅层爆破与深层爆破，浅孔爆破受采煤机过煤高度的影响，大块岩层卡绊刮片，容易引发断链事故，在岩石抛掷时容易造成顶板冒顶事故，导致倒架，且浅层爆炸破碎一次处理岩石1～1.8 m, 平均推进速度为每天1刀，工作效率低下。而在深孔爆破起爆后，会在岩石中产生爆破裂隙，从而使岩石的强度下降。在深孔爆破后，岩体被炸脆，在采煤机截切的作用下被破碎成小块的岩石，这样就解决了浅层爆破岩石抛掷现象，对端面顶板的维护也有很大帮助。与此同时，深孔爆破处理陷落柱的爆破深度可以达到30～50 m, 可以显著地提升生产效率。因此深孔爆破技术在爆破效果、工程推进与产量和对顶板的影响等方面对煤储层卸压抽放具有优势，其中水力割缝、深孔爆破技术应用广泛。

闫立恒等[3]针对深部高瓦斯煤层开采时围岩受“三高一扰动”影响导致冲击地压事故频发等问题，提出人造高位破碎层治理工作面回采期间冲击地压的区域卸压防冲技术来保证综采工作面回采期间的安全生产问题；刘团结[4]结合凉水井煤矿42101综采工作面采用深孔预裂爆破进行强制放顶工程实践的成功，总结了一套深孔预裂爆破煤开采的放顶经验，推动了深孔预裂爆破在煤矿强制放顶中的应用；杨凯[5]针对晋北煤业5-409工作面因受断层岩石带影响范围大的问题，采用深孔爆破后，割煤机可顺利切割直接通过断层岩石带，且采煤机基本没有额外损耗，取得了良好效果。沈雪梅[6]以沁新煤矿1025工作面作为试验地点，结合矿井煤层顶底板地质条件，设计“预裂深孔爆破切顶卸压沿空留巷技术”方案，通过对1025下巷道进行补强支护后，在巷道采空侧顶板施工深孔预裂爆破，实现对工作面顶板的预裂卸压，缓解了矿井采掘接替紧张，增加了回采率，提高了矿井经济效益。赵兴东等[7]根据三山岛金矿2 005 m超深竖井的工程技术条件，结合其所穿越地层的工程地质情况，总结出了采用双重伞形钻开大直径深孔、导爆管起爆、光面爆破等爆破技术，并进行了爆破参数的优化设计，获得了较好的爆破效果，炮眼利用率达85%以上。吕宏[8]结合工程实例，分析了中深孔爆破技术，并结合矿井开挖的工作特点，论述了该技术的应用重点，包括：依据现场情况，对工艺进行了合理的优化，重视施工过程中的质量和安全，并提出了拒爆现象的原因及处理方法。尹忠昌等[9]采用理论分析、室内模型试验、数值模拟、现场测试等手段，对超深孔炮泥封堵机理、封堵方式、封堵材料的选取、封堵长度等进行了深入的研究，得到了超深孔炮泥封堵的最佳封堵方式和封堵参数，并给出了合理的最小封堵长度，证实了超深孔炮泥封堵能够有效降低爆生气体逸出，使爆炸能量更好地集中在岩层深处。结果表明：在爆破过程中，爆破应力波和爆生气体的协同作用能有效地提高爆破效果。赵云龙[10]在对两种以上的现场爆破安全管理技术、施工材料方案和掘进爆破的主要施工参数进行了多次的设计实验后，得出了在岩巷爆破方案中采用的深孔爆破施工技术方案，应该能够与光面爆破装备等相结合，从而实现了爆破工程的整体施工和整体进度的极大提升，同时还能够大幅度地减少施工机械和材料的一次性消耗，从而提高工程的经济效益。于建新等[11]从水下深孔爆破的特性出发，通过理论分析和数值计算，对不同起爆部位引起的围岩破坏进行了深入的研究。在水下单孔爆破中，底部起爆方式对围岩的破坏强度要小于中点和三分点起爆方式，但是对上部水体影响大；中点爆破时，对周围水体的影响最小，而对周围岩体的影响最大；多孔爆破破坏面积随炮孔数量的增多呈水平方向扩展，在爆轰区的两侧角部均有几条水平方向和纵向方向的裂缝，而且裂缝还会随着炮孔数量的增多而不断扩大。武建伟[12]基于数值软件LS-DYNA建立了“五花眼”爆破计算模型并结合实际矿井爆破工程证明了高地应力下“五花眼”深孔爆破起到了良好的硬岩致裂效果，同时采用多物质流固耦合计算方法，探究不同应力场下裂纹扩展差异性，发现爆破作用初始阶段载荷远高于地应力，尤其是对于爆破粉碎区、裂隙区更为显著，若要使炮孔间裂纹更加贯通，则炮孔应尽可能沿最大主应力方向布置。

本文总结深孔爆破的机理并结合深孔爆破模型分析爆破半径和效果。通过在山西余吾矿S5101工作面过DX6陷落柱的应用，取得了良好效果，为低渗煤层瓦斯抽采提供了良好借鉴。

1、深孔爆破的机理

综采工作面所采煤层整体地质条件复杂，具有强冲击、高瓦斯、易自燃的特点，还存在区段煤柱、联络巷横穿等问题。深孔爆破就是在目前尚未具备开采煤层的条件时，通过合理优化高位钻场、钻孔分布及装药量等，对揭露构造的硬岩介质采用大直径药卷进行预先扩裂爆破，在爆破作用下让岩石实现充分的裂隙发育，使整层坚硬岩层裂隙充分发育，达到局部破坏的目的，从而不具备积聚弹性能的条件。深孔爆破之后，硬岩介质完整性和强度降低到设备的切割能力范围内，再组织正常生产。这样不仅使掘进机或采煤机截割顺利，保护了采掘设备，而且提高了采掘设备的生产能效，降低了设备消耗，降低了生产成本，缩短了辅助作业时间，大大提高了生产效率。人造破碎层切面示意与爆破裂隙发育如图1所示[3]。

图1 人造破碎层切面示意与爆破裂隙发育

2、深孔爆破理论模型

2.1 岩石屈服破坏准则

由于岩石具有非均质性、复杂性、各向异性以及在大应变、高应变率、高压的条件下易遭到破坏等特点，因而可以将采区矿岩近似视为脆性材料进行计算，因此，本研究采用一种塑性材料的本构模型H-J-C模型。

矿岩的屈服破坏准则。根据相关研究，Mises屈服破坏准则适用于爆破过程中的粉碎区是由于有自由面的岩石，爆炸破坏为拉伸破坏；没有自由面的岩石，爆炸破坏为压破坏。而自由面裂纹区采用拉伸破坏准则，将爆炸作用下岩石单元的有效应力与岩石的动态抗拉强度和动态抗压强度相比较，可以判定岩石破坏情况[13]。

岩石动态抗压强度计算公式：

式中：σcd为岩石动态抗压强度，MPa; σc为岩石静态单轴抗压强度，MPa; ε为岩石加载应变率。

岩石的动态抗拉强度计算公式：

2.2 地应力及爆炸荷载的施加

以矿井地应力测量资料为依据，矿区的最大主应力轴接近于水平，这说明矿区的地应力主要是由水平应力控制，而地下工程的变形破坏痕迹也说明了矿区是由水平作用的构造应力所控制，矿区垂直地应力和水平地应力计算公式如下：

σv=γH

σH=3+0.042 5H

式中：σv为垂直应力，MPa; σH为平均水平应力，MPa; γ为容重，取0.027 MN/m3;H为埋深，m.

为了模拟钻孔爆破，可以将径向压力波施加到钻孔表面的单元上。压力波的幅度和持续时间可以由炸药的密度、猛度、钻孔尺寸和几何形状等决定。为了表示大范围的钻孔压力，使用以下一般形式的爆炸压力波脉冲函数[14]:

式中：P0为爆炸冲击波的峰值压力，GPa; t0为达到峰值压力的时间，s; a、β为爆炸压力冲击波的衰减系数。

矿山采用岩石粉状乳化炸药，炸药的基本参数如表1所示，根据表1中的炸药基本参数和爆炸脉冲函数，取β/α=1.5[4,5],可以得到该炸药的爆炸压力曲线，如图2所示。

表1 炸药的基本参数导出到EXCEL

炸药密度ρ/(kg·m-3)爆速D/(m·s-1)爆压Pcj/GPa峰值P0/GPa峰值压力时间t0/sα β

1 000 3 200 9 1.53 55.8 0.014 5 0.021 8

图2 爆炸压力的时间历程曲线

3、深孔爆破的应用

3.1 工作面概况

文章以S5101工作面过DX6陷落柱为研究对象，采用深孔爆破的方法来提高工作效率。工作面揭露的DX6陷落柱岩性为泥质充填，中间夹块状砂岩、泥质砂岩，影响推进距离110 m, 推进至77 m时试验超深孔爆破技术，如图3所示。构造揭露情况：123号架～133号架底石头0.5～2.8 m, 134号架至机尾全断面石头。根据陷落柱揭露情况以及煤岩之间的相互关系，在152号架～186号架设计布置35个超深炮孔，炮孔直径80 mm、深度30 m, 采用ZRZ31.5-210/300型架座式乳化液钻机施工。

图3 DX6陷落柱平面图

3.2 炮孔布置

根据单位工作面长度装药量的要求，拟采用Φ63 mm×1 000 mm的装药壳体，每米能装山西焦煤民爆集团潞安公司生产的三级煤矿许用乳化炸药3 kg.根据理论研究成果计算其爆破扩裂半径约为1.08 m, 且考虑钻孔设备最低钻孔高度的约束等因素，本设计在工作面内布置2排“之字形”炮孔，拟取工作面底板高度1.2 m的位置布置第一排钻孔，第二排离第一排炮孔0.7 m进行布孔，同排孔间距为3.0 m.两排炮孔布置方案如图4所示。

图4 各钻孔的位置关系图(单位：m)

根据综放工作面陷落柱的揭露情况以及煤岩之间的相互关系，为了保证回风巷的稳定性，在靠近回风巷一侧，炮孔从185号架处距离巷道9 m开始布置；又因120号架至152号架处的顶上有煤层分布，且岩层厚度小于3 m, 为了保证爆破后回采时顶板的安全，决定从152号架至185号架之间才布置超深炮孔，具体布孔方式如图5所示。炮孔沿工作面方向平行布置，第一阶段炮孔深度取30 m, 第二阶段炮孔深度根据陷落柱边界确定，其炮孔深度原则上是以见煤停钻为原则。

图5 炮孔布置示意

通过对潞安民爆公司3级煤层许用的乳化炸药的分析，结合以往的爆破实践，提出了一种新的装药方案，1 m的装药容量为3 kg.由于超深孔爆破的单孔装药量很大，所以，在爆破过程中，为保证安全，采取了一种使用毫秒微差爆破的方法，来控制一次爆破的总装药数量，并通过试验来确定炮孔长度，从而推算出试验爆破的总装药数量。因现有煤矿许用毫秒电雷管只有5个段别，现单段最大起爆药量为72 kg, 每次起爆5个孔，则每次起爆的炸药总量最大为360 kg, 封孔长度不低于6 m.

3.3 深孔爆破的优势

相比于深孔爆破前，进行深孔爆破后，每天检修班对局部岩石较硬区域放40个浅孔炮，放炮影响时间4.5 h, 放炮时间缩短了55%,深孔爆破区域截割时岩石呈小块状，未出现大块矸石堵塞机组过煤口现象，正规循环提升100%,刀齿消耗降低46%,深孔爆破技术的应用提高了煤炭资源回收率；降低了机械故障发生率，增加了正常的运行周期，从而进一步提高了工作效率；由于不需要搬迁倒面，更有利于开采的衔接，减少了安装、回收及大型设备的起吊、运输等特殊的环节，从而保证了安全生产。

4、结语

1) 与浅孔爆破相比，深孔爆破在岩层中形成了多条裂缝，从而降低了岩层的强度，并且在深孔爆破之后，岩层会变得松散，在采煤机的切割下，岩层会碎裂成更小的岩层，并且爆破时不会出现抛石的情况，这对断面顶板的维护有很大帮助。

2) 在工作面上利用深孔爆破技术可提高工作面穿越较大构造时的工作效率，并可控制生产费用，减少爆炸危险，而利用超深孔爆破扩展技术可使工作面快速向前推进，提高了生产效率，减少了生产费用，保证了采矿工作的安全性。

参考文献:

[1]孙忠铭,刘庆林,余斌,等.地下金属矿山大直径深孔采矿技术[M].北京:冶金工业出版社,2014.

[2]王善元.我国大直径深孔采矿技术的研究与发展趋势[J].矿业研究与开发,1998,18(3):10-13.

[3]闫立恒,范志强,李煜,等.高位深孔爆破预裂超前区域治理技术研究与应用[J].中国煤炭,2022,48(S2):143-149.

[4]刘团结.深孔预裂爆破应用研究:基于凉水井煤矿42101工作面强制放顶[J].技术与创新管理,2010,31(5):621-622.

[5]杨凯.深孔爆破技术在晋北煤业采面过断层中的应用[J].江西煤炭科技,2023(2):116-119.

[6]沈雪梅.预裂深孔爆破切顶卸压沿空留巷技术研究[J].煤炭与化工,2023,46(2):23-26.

[7]赵兴东,武桐.三山岛金矿2 005 m超深竖井深孔爆破技术[J].采矿技术,2022,22(6):150-153.

[8]吕宏.探究中深孔爆破技术在煤矿掘进中的应用[J].矿业装备,2022(5):80-81.