浅孔、中深孔联合松动爆破过综采面复杂地质构造带技术

张晓东，刘智敏，李建国，王玺淦，甘 涛

（晋能控股煤业集团 挖金湾煤业有限责任公司，山西 大同 037042）

0 引 言

煤矿井下回采作业中，地质构造是影响综采工作面安全高效推进的重要因素，也是煤矿安全生产过程中会经常遇到的实际问题。随着浅部煤炭资源枯竭，矿井延伸后各煤炭集团对煤炭资源高效回采也提出了新的要求，面对复杂地质构造带，通过大力推进技术创新和工艺创新，在保证安全的前提下应采尽采、绿色开采，用科技创新延长矿井的服务年限，推动煤炭资源最大幅度的高效回采、绿色回采。挖金湾矿属石炭二叠系延伸矿井，8108 工作面又是矿井南部区域首采工作面，解决生产过程中遇到的复杂地质构造带具有十分重要的研究和指导意义。

1 工作面概况

挖金湾矿石炭二叠系山4 号层8108 综采工作面北部与落差9.0 m 断层相邻，东部与南翼回风巷、南翼主运巷相接，西南部尚未开拓，煤层平均厚度为3.86 m，倾角在1°～3°之间。采用综合机械化开采方法，MG900/2360-WD 型采煤机割煤，工作面顶板由128 个ZY12000/24/48D 型掩护式普通架、1 个ZYG12000/24/48D 型掩护式过渡支架和7 个ZYT12000/24/48D 型掩护式端头支架（工作面头部4 架，尾部3 架）支护，SGZ1000/3×855 型刮板输送机、SZZ1200/525 型 转 载 机、PLM3500 型 破 碎 机、DSJ120/350/3×250 型可伸缩带式输送机构成工作面运煤系统，全部垮落法管理顶板。该工作面从切眼处开始沿走向方向386 m 范围内揭露9 条正断层和1 条火成岩，是典型的复杂地质构造群，断层群落差在2.3～4.5 m；火成岩宽3 m，从煤层顶板呈床形侵入，沿煤层走向方向对工作面影响384 m；断层变化极不稳定，衍生断层较多，顶板管理困难。在火成岩与断层重叠区域5 个支架范围岩石硬度极大，岩性为白色砂岩和细砂岩，采煤机难以截割，坚硬岩石沿回风顺槽影响近30 m, 以往只在切眼处施工浅孔松动爆破技术已不满足实际生产需求。地质构造群情况见图1，煤层顶底板情况见表1。

图1 8108 工作面地质构造群情况

表1 8108 工作面顶底板岩性

2 浅孔、中深孔联合松动爆破技术

井工煤矿综采工作面过断层、陷落柱等地质构造常用的松动爆破分为浅孔和深孔2 种[1]。浅孔炮孔直径一般不超过50 mm，孔深不超过5 m，深孔炮孔深度[2]一般为8～15 m，孔径为75～350 mm。本工作面过地质构造群所采用的孔深为1.6 、5 、6、7、8 m，属浅孔和中深孔松动爆破范畴。

浅孔、中深孔联合松动爆破技术在火成岩与断层重叠时切眼处尾部5 个支架范围施工浅孔松动爆破，同时沿坚硬岩石影响回风顺槽30 m 范围施工中深孔松动爆破。联合松动爆破技术是利用不耦合装药空隙的存在来减弱冲击破作用在孔壁上的爆压峰值，同时为炮孔间提供聚能的临空面。在切向拉应力作用下使炮孔四周产生径向裂纹，临空面聚能作用使孔间连线产生应力集中，在应力波反射应力作用下孔间裂纹继续扩展，使岩石进一步破碎。

3 浅孔、中深孔联合松动爆破技术参数的设计

3.1 最小抵抗线的确定

炸药在煤岩中爆炸，根据爆炸对岩体的破碎程度，大致可分为3 个区域：压碎区、裂隙区和弹性振动区[3-4]。在爆破中区，爆破产生的冲击波和爆生气体将煤体碎裂成裂隙体。依据工作面采煤需要，在切眼和5105 回风顺槽分别设计爆破的爆破参数，通过爆生应力波作用原理确定爆破中区松动圈半径[5]。

式中:RP为松动圈半径;α为应力波衰减值，α=（2-υ）/（1-υ）；St为抗拉强度，MPa;υ为泊松比;P为应力波初始径向应力峰值，其大小可用以下公式计算：

式中:Di为炸药爆速，m /s；ρ0为装药密度，kg/m3；rc为装药半径cm；rb为炮眼半径，cm；n为压力增大倍数。

将工程数据Di= 3 600 m/s，ρ0= 0.278 kg/m3，rc= 17.5 mm，rb= 21 mm，St= 1.29 MPa，n = 10，υ= 0.235。代入得ω= 545.79 mm 根据现场取最小抵抗线ω=1.2 m。

松动爆破的要点是控制好单孔装药量，才能达到既能松动岩石，又不致岩石崩落抛掷的效果。工作面浅孔单孔装药量的计算：

式中:Q为单孔实际装药量，kg;e为爆力系数，取1.0～1.3；q为标准条件下的炸药单耗，一般取0.2～0.35 kg /m3；g 为炮眼堵塞系数；l为炮眼深度，m;ω为最小抵抗线，m；nc为炮眼深度对炸药消耗量的影响系数。将e= 1.0、q= 0.35、g= 1.2、l= 1.6 m、ω= 1.2 m、nc=1.3 代入得单孔实际装药量0.655 2 kg，实践中根据煤岩性质和实际爆破效果调整实际单孔装药量0.6 kg。同理计算并依据《煤矿安全规程》规定要求，可得顺槽中深孔单孔装药量见表2。

表2 5108 顺槽中深孔单孔爆破技术参数

3.2 联合松动爆破炮孔布置方式

工作面切眼浅孔松动爆破技术参数：工作面切眼浅孔松动爆破采用五花眼布置3 排钻孔，孔径为42 mm，药卷直径35 mm, 孔深为1.6 m，排距为0.7 m，孔间距为1.5 m，顶孔上倾20°，底孔下倾10°，中间孔垂直煤壁钻进，在岩石交面处将孔间距增大为1.75 m，最小抵抗线为1.2 m，单孔装药量为0.6 kg，封孔长度为0.5 m，正向不耦合装药，不耦合系数为1.2[6]，分组起爆。

回风顺槽中深孔松动爆破技术参数：回风顺槽以间距1.2 m 布置一排孔径为55 mm 的中深孔，药卷直径35 mm,不耦合系数为1.57，中深孔孔中心距巷道底板1.3 m，上倾13°，共布置15 钻孔，首孔距切眼煤壁距离2.6 m，不耦合装药，分组起爆。联合松动爆破炮孔布置如图2 所示。

3.3 联合松动爆破技术要求

工作面切眼煤岩交接面爆破孔装入炸药量少，炮孔可以直接起爆，起爆后火成岩其他区域炮孔再起爆，细砂岩处爆破孔装药量多，必须分2～3 组进行，每组起爆炮孔数控制在5～6 个，且先起爆白砂岩区域炮孔。5108 顺槽中深孔起爆应超前切眼煤壁5 m 先与切眼浅孔起爆，每组起爆2 个中深孔，一组起爆后应对爆破区域做质量检查，及时处理“盲炮”等问题[7]。

装药前爆破连线必须按照规程要求严格执行，接头要清洁牢固，连线后需由爆破员再检查，确保连线质量；装药时爆破员应拉直雷管脚线并紧靠炮眼的孔壁[8]，所有接头必须采用防水胶带包扎，接头处不得与其他物体接触，应悬空；中深孔起爆前应在5108 巷薄弱点增设单体液压支柱，并做好施工机械设备防护措施；切眼浅孔爆破时通过液压支架前吊挂挡矸皮带等方式严格做好工作面采煤设备防护措施。

图2 联合松动爆破炮孔布置图

在火成岩与煤交面处若出现顶板破碎等情况时，在切眼处浅孔松动爆破顶孔减小装药量减少同时起爆孔数，同时减小回风顺槽施工中深孔的上倾角，来减弱对顶板的破坏，浅孔和中深孔炮泥封堵质量，加强5108 回风顺槽支护质量；严格执行“一炮三检”和“三人连锁”放炮制度。

4 现场工程应用效果

8108 工作面过火成岩与断层重叠区时，采煤机无法正常截割，采用切眼施工打浅孔时，效果不够理想，采煤机截割时机身振动幅度很大，日均更换截齿达90 %以上，滚筒齿座也有损坏，增加炮孔施工密度，影响打钻效率，不仅增加了工人的劳动强度也严重影响了工作面的推进速率，每日只能推进2 刀，日产原煤3 000 t。

按上述设计方案，在切眼施工浅孔松动爆破的同时在5108 回风顺槽超前切眼煤壁20 m 打中深孔进行松动爆破。回风顺槽相对采煤工作面施工空间较大，便于施工，且与切眼施工浅孔和采煤工序互不干预，配合切眼浅孔松动爆破后岩石的完整性和强度明显降低，并存有大量不规则的微小裂隙，有利于工作面的顶板管理。应用切眼浅孔松动爆破、回风顺槽中深孔松动爆破联合技术后，工作面每日可推进5 刀，日进4.0 m，日产7 500 t,有效地加快了工作面的推进速度和生产效率为安全高效地过坚硬极复杂地质构造创造了良好的条件。

5 结 论

1）依据石炭二叠系山4 号层8108 综采工作面的地质构造情况和实际生产面临的问题，提出了过极复杂坚硬地质构造带采用的浅孔、中深孔联合松动爆破技术及合理可行的爆破参数。

2）浅孔、中深孔爆破技术应用于石炭二叠系山4 号层8108 综采工作面爆破后有效地弱化了切眼处岩石的强度，但仍具有一定的残余强度，有利于综采面切眼顶板的管理。

3）利用切眼施工浅孔松动爆破、5108 回风顺槽施工中深孔松动爆破联合技术便于打眼放炮，不影响工作面应有生产、检修工序，具有平行作业的优势，有效地提高了综采面的推进速度和生产效率。

4）应用浅孔、中深孔联合爆破技术后，日产原煤由原来的2 刀提升到5 刀，综合施工人工成本、爆破器材使用情况、机电检修量、截齿损耗情况及对综采面机电设备和人员安全影响，具有显著的经济效益和安全效益；且为石炭二叠系矿井类似工程提供了切实可行的实际案例。

5）浅孔、中深孔联合爆破技术需加强矿井、综采面矿压规律显现管理，同时结合地质构造实际情况及工作面、顺槽顶板情况，应于适当的调整松动孔布置方式和技术参数，在周期来压和因地质构造影响顶板破碎时需加强顶板管理、顺槽补强支护、调整松动孔技术参数，以便达到生产预期效果。