韓 亮，曲效成，劉聚友，彭 瑞

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 102200； 3.陜西麟北煤業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，寶雞 721505)

大傾角煤層開(kāi)采一直是采礦領(lǐng)域的難題，新礦集團(tuán)福城煤礦部分煤層目前正面臨開(kāi)采傾角大，頂板破碎滑落的問(wèn)題，個(gè)別工作面甚至出現(xiàn)嚴(yán)重冒頂致使工作面停產(chǎn)，設(shè)備難以撤出的情況，給企業(yè)造成極大損失。由于大傾角煤層占比較大，因此如何安全回收這部分資源將是礦井的一項(xiàng)重要工作，在此背景下，礦方聯(lián)合科研單位，提出了大傾角煤層無(wú)人工作面開(kāi)采工藝。該工藝是在工作面上、下區(qū)段平巷端頭實(shí)體煤幫布置鉆孔，平行于工作面打眼爆破，現(xiàn)場(chǎng)人員不進(jìn)入工作面，面內(nèi)不設(shè)支護(hù)，煤體爆落后，經(jīng)引煤裝置扒落至下區(qū)段平巷，完成資源的開(kāi)采。上述環(huán)節(jié)中，深孔爆破落煤是整個(gè)工藝的關(guān)鍵，爆破效果的好壞將直接影響該工藝的生產(chǎn)效率。

深孔爆破技術(shù)源于露天開(kāi)采，此后在交通、水利和煤礦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。井工開(kāi)采中，深孔爆破多用于煤層卸壓[1-3]、瓦斯抽放[4-6]、切頂預(yù)裂爆破等領(lǐng)域[7-11]，在煤體爆破方面應(yīng)用較少，現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于其爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)也鮮有介紹?；诖髢A角無(wú)人工作面深孔爆破落煤試驗(yàn)，提出爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)思路，并通過(guò)爆破效果加以驗(yàn)證，設(shè)計(jì)成果將為后續(xù)生產(chǎn)積累重要的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也可供其他項(xiàng)目參考借鑒。

1 試驗(yàn)工作面概況

選擇采區(qū)西側(cè)WⅠ-1工作面作為試驗(yàn)工作面，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)461.5 m，傾斜長(zhǎng)約30 m，如圖1所示。主采9號(hào)煤層，煤層傾角為30°，節(jié)理裂隙不發(fā)育，分上、下分層，中部為砂巖夾矸，厚0.15～0.6 m，上分層厚度平均1.2 m，煤層有益厚度3.50 m，總體厚度4.25 m。根據(jù)工作面揭露的鉆孔可知，直接頂為一層2.85 m厚的灰?guī)r，基本頂為9.75 m厚的泥巖。

2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 鉆機(jī)及火工品

(1)鉆機(jī)

鉆機(jī)型號(hào)決定了炮孔直徑及鉆孔效率，傳統(tǒng)的深孔爆破一般采用大直徑炮孔(φ75 mm以上)，但考慮到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、火工品情況及爆破塊度要求，炮孔直徑不宜過(guò)大，本次設(shè)計(jì)中選用鉆機(jī)型號(hào)為ZQJL-802.0S氣動(dòng)架柱式鉆機(jī)，配套的炮孔直徑為φ42～50 mm。

(2)炸藥

炸藥直徑應(yīng)與炮孔直徑相匹配，還應(yīng)考慮裝藥工藝的可行性及便捷性，受現(xiàn)場(chǎng)火工品條件的制約，炸藥選擇二級(jí)煤礦許用水膠炸藥T-320，炸藥參數(shù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)炸藥參數(shù)表Table 1 Field explosive parameters

(3)起爆及傳爆器材

為消除管道效應(yīng)，設(shè)計(jì)使用礦用導(dǎo)爆索沿裝藥全長(zhǎng)敷設(shè)，若現(xiàn)場(chǎng)不具備使用導(dǎo)爆索的條件，亦可采用同段位5段以下8#電雷管進(jìn)行搭接傳爆。

2.2 爆破參數(shù)計(jì)算

(1)炮孔直徑d

炮孔直徑與最小抵抗線和孔間距密切相關(guān)，也與爆破效果和鉆孔效率等有關(guān)。隨著鉆孔直徑的增大，大塊率也會(huì)相應(yīng)增大。綜合考量后，選擇鉆頭直徑d為42 mm。

(2)裝藥密度Δ

裝藥量與其所占炮孔體積的比值稱為裝藥密度。裝藥密度愈小，炸藥的威力也愈小，爆破中應(yīng)設(shè)法保證最大的裝藥密度。受現(xiàn)場(chǎng)火工品條件的制約，T-320水膠炸藥藥卷長(zhǎng)度為400 mm，單卷質(zhì)量0.32 kg，確定的炮孔直徑為φ42 mm，計(jì)算得到炮孔裝藥密度Δ為578 kg/m3。

(3)裝藥系數(shù)τ

裝藥系數(shù)是指裝藥長(zhǎng)度與炮孔長(zhǎng)度之比，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，深孔爆破裝藥系數(shù)一般取0.7～0.85，設(shè)計(jì)中裝藥系數(shù)τ取0.8。

(4)炮孔密集系數(shù)m

炮孔密集系數(shù)是指孔距a與最小抵抗線W的比值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，深孔爆破密集系數(shù)一般取0.8～1.4，設(shè)計(jì)中密集系數(shù)m取1.2。

(5)炸藥單耗q

炸藥單耗就是每爆破1 m3礦巖所需要耗費(fèi)的炸藥量。9號(hào)煤普氏系數(shù)f約為2，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破漏斗試驗(yàn)，計(jì)算單耗q為0.25 kg/m3，考慮到煤層爆破自由面較少，受頂?shù)装鍔A制作用較大，因此，需適當(dāng)增加單耗取值，為保證首次爆破效果，設(shè)計(jì)單耗q取0.5 kg/m3，后期可根據(jù)爆破塊度及爆堆分布情況對(duì)單耗進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)自由面情況如圖2所示。

(6)抵抗線W及孔距a

抵抗線和孔距是影響爆破效果和爆破安全最重要的參數(shù)，根據(jù)裝藥量平衡原理，對(duì)巴隆公式進(jìn)行相應(yīng)變換可知

式中，l=H，均為炮孔深度，其余參數(shù)同前。上式簡(jiǎn)化為

代入前述參數(shù)，可得W≈1 m，a≈1.2 m。

根據(jù)計(jì)算情況，歸納爆破參數(shù)如表2所示。

表2 爆破參數(shù)計(jì)算表Table 2 Calculation table of blasting parameters

(7)填塞長(zhǎng)度

從爆破效果等考慮，填塞長(zhǎng)度最少應(yīng)等于最小抵抗線，考慮到煤層爆破的安全性，堵塞長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)不應(yīng)小于2 m。

2.3 炮孔布置方案

工作面斜長(zhǎng)約30 m，煤厚4～4.5 m，根據(jù)計(jì)算得到的爆破參數(shù)，同時(shí)考慮爆后松散煤體不至于充滿巷道導(dǎo)致放煤或通風(fēng)不暢，試驗(yàn)初期，沿煤層走向爆破進(jìn)尺暫定1 m。從鉆孔準(zhǔn)確性及裝藥難易程度上考慮，炮孔布置擬設(shè)計(jì)兩套方案:第一種方案從上區(qū)段及下區(qū)段平巷分別向各自實(shí)體煤側(cè)打?qū)Υ┡诳祝诳组L(zhǎng)度不大于15 m，上下區(qū)段平巷同時(shí)起爆；第二種方案從下區(qū)段平巷向上部實(shí)體煤側(cè)打單向炮孔，炮孔長(zhǎng)度不大于30 m，下區(qū)段平巷單獨(dú)起爆。試驗(yàn)初期，選擇第一種方案，后續(xù)根據(jù)實(shí)際鉆孔及裝藥情況，采用第二種方案。兩種方案爆破設(shè)計(jì)如表3所示。

圖3為上下區(qū)段平巷沿煤層傾向炮孔布置圖，即圖1中Ⅰ-Ⅰ剖面。上下區(qū)段平巷各布置3個(gè)炮孔，根據(jù)表2計(jì)算的孔網(wǎng)參數(shù)可知孔距為1.2 m。為避免爆破對(duì)頂板的破壞，同時(shí)考慮到底板的夾制作用，按照最上方炮孔與頂板距離不小于1.2 m，最下方炮孔與底板距離不大于1 m進(jìn)行設(shè)計(jì)。已知煤層傾角為30°，通過(guò)余弦定理可確定炮孔在煤壁縱向的位置。

圖4為下區(qū)段平巷沿煤層走向炮孔布置圖，即圖1中Ⅱ-Ⅱ剖面。根據(jù)表2計(jì)算的孔網(wǎng)參數(shù)可知抵抗線為1m，由此可確定炮孔與工作面煤壁的距離。上區(qū)段平巷類比即可。

表3 兩種方案裝藥量計(jì)算參考值Table 3 Reference value for charge calculation of two schemes

3 爆破效果分析

從爆破落煤情況來(lái)看，整體爆破效果比較理想，爆堆分布集中，大部分煤體拋擲距離不超過(guò)1 m，適宜耙斗扒煤；爆破塊度較均勻，基本分布在100～300 mm，扒煤順暢。爆破落煤后，工作面不會(huì)出現(xiàn)爆落煤體將工作面下部端頭堵塞造成通風(fēng)不暢的問(wèn)題，后續(xù)爆破循環(huán)可改為兩排或三排同時(shí)起爆。

從現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，一個(gè)循環(huán)的鉆孔可在6 h內(nèi)完成，按照試驗(yàn)速度，每天可推進(jìn)1～2個(gè)循環(huán)，預(yù)計(jì)工作面月產(chǎn)量能夠達(dá)到1萬(wàn)t左右，滿足礦方預(yù)期，為進(jìn)一步提高鉆孔工效，后續(xù)可采用第二種炮孔布置方案。

4 結(jié)論

(1)為解決大傾角煤層的安全高效開(kāi)采，提出大傾角煤層無(wú)人工作面開(kāi)采工藝，并引入深孔爆破技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作面落煤。

(2)開(kāi)展了大傾角無(wú)人工作面深孔爆破落煤試驗(yàn)，根據(jù)裝藥量平衡原理，計(jì)算出滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件的爆破參數(shù)，據(jù)此提出炮孔布置及裝藥方案。

(3)爆破效果表明，爆堆分布集中，爆破塊度適宜，驗(yàn)證了深孔爆破參數(shù)的合理性，設(shè)計(jì)成果可為后續(xù)生產(chǎn)積累重要的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也可供其他項(xiàng)目參考借鑒。