张 嘎

(汾西矿业贺西煤矿，山西 柳林 033200)

陷落柱是我国华北地区煤炭开采时常见的地质构造，由于陷落柱影响范围大、分布范围广从而给煤炭正常的采掘作业带来显著影响[1-3]。为了提高煤炭开采效率，现阶段多数矿井采用平推硬过方式过陷落柱，受到陷落柱内岩体坚硬影响，采煤机不仅破岩效率低而且存在刀齿异常磨损问题[4]。采用深孔预裂爆破方式可降低陷落柱内岩体硬度，从而为采面快速过陷落柱创造良好条件[5-6]。为此，本文以山西某矿3207综采工作面过陷落柱为工程背景，针对采面实际条件对深孔预裂爆破钻孔布置进行设计，并对应用效果进行考察。研究成果可为其他矿井综采工作面过陷落柱提供借鉴。

1 工程概况

山西某矿3207综采工作面设计推进距离1 423 m、走向长度267.4 m，开采的2#煤层厚度均值为2.75 m，埋深350 m。2#煤层伪顶、直接顶、基本顶分别为厚度0.25 m高岭石泥岩、3.5 m砂质泥岩以及2.75 m中粒砂岩，直接底为2.35 m粉砂岩。

前期地质勘探资料以及回采巷道掘进显示，3207综采工作面回采范围内发育有陷落柱，其中X140陷落柱对煤炭回采影响有较大影响。后期采用钻探探测到陷落柱长轴、短轴长度分别为98 m、40.35 m，陷落柱内充填物以砂岩为主，具体采面内陷落柱分布位置见图1所示。

图1 采面内陷落柱分布位置示意图

2 深孔预裂爆破钻孔布置

2.1 爆破参数确定

本文采用LS-DYNA软件并依据3207综采工作面地质情况对爆破参数进行确定。采用LS-DYNA软件对不同直径炸药对钻孔围岩裂隙发育情况进行模拟分析，具体陷落柱内砂岩岩性参数见表1所示。

表1 岩性参数

数值模拟发现，钻孔内炸药爆破后产生的冲击波向应力波转化，同时，随着扩展距离增加以及能耗消耗应力波呈现逐渐衰减趋势。对爆破后爆破孔周边裂隙扩散长度进行测算，发现爆破孔裂隙区半径约为爆破使用的药卷半径的32倍～35倍。具体采用不同直径炸药时爆破孔周边裂隙扩展情况见第170页表2所示。

通过表2数据拟定爆破药卷直径、裂隙区半径间的线性回归方程，具体见第170页图2，拟定的线性回归方程R2=0.994。从图2看出，当爆破采用的药卷直径为63 mm时爆破后产生的裂隙区半径可达到2 016 mm。采面回采高度为3 m，由此可见将采用直径63 mm药卷后产生的裂隙可充满整个采面，具体可将爆破孔布置在采面中部位置。

表2 药卷直径与裂隙扩展半径对应表

图2 爆破药卷直径、裂隙区半径间拟合曲线

陷落柱内坚硬岩层松动爆破钻孔在采面辅助回风巷内布置，在巷道内爆破钻孔从陷落柱左侧边缘10.56 m位置开始施工，爆破孔间距为2.5 m，布置长度共计85 m。爆破孔深度设计在10 m～36 m，具体采面内爆破孔布置见图3所示。为了提高爆破安全性，一次爆破炸药量控制在200 kg以内，爆破孔内炮眼均使用正向装药方式。

图3 爆破孔布置示意图(m)

2.2 爆破孔封孔

爆破孔封孔质量不仅关系爆破安全而且直接影响爆破效果。本次深裂爆破封孔使用材料为黄土和砂按照3∶1的质量配比组成的黏性材料，并适当添加一定量的水。具体爆破孔封孔长度可通过公式(1)计算[7]。

(1)

其中：L为封孔长度；R为爆破孔半径，取值47 mm；n为综合影响系数，取值1.5；f为侧压系数，取值0.3；λ为封孔材料摩擦系数，取值0.02。

将上述参数带入公式(1)即可求得L≥5.9 m，实际取值为6 m。

3 现场应用分析

在X140陷落柱内充填的岩石性质为砂岩且裂隙不发育，砂岩间胶结物以泥岩为主，爆破后产生的能量在泥岩中消散较快，从而为爆生气体提供有较为充足的膨胀补充空间。在采面辅助回风巷内深孔预裂爆破结束后，对爆破效果进行考察分析。其中由于5#钻孔封孔长度较短且封孔质量较差，从而导致深孔爆破后炮泥被爆破冲击冲出问题，其余的钻孔均得以正常爆破。

对爆破后采面过陷落柱情况进行统计分析，由采面钻探以及物探资料显示，在采面内赋存有X165陷落柱，采面过X165陷落柱时采用平推硬过方式，累积割岩距离为31.8 m，耗时共计9 d，更换截割共计369把、截割齿消耗速率为12.45把/m，采面平均推进速度为3.5 m/d。在采面过X140陷落柱时采用深孔预裂爆破方式辅助破岩，预裂爆破范围覆盖整个陷落柱发育区域，在采面过X140陷落柱时采煤机累积割岩距离为85 m，耗时共计21 d，期间共计更换270把截割齿、截割齿消耗速率为3.53把/m，采面平均推进速度为4.05 m/d。

通过对比发现，采用深孔预裂爆破技术对陷落柱内坚硬砂岩进行松动爆破后，采煤机截割速度提升14.7%，截割齿消耗量降低74.5%，取得较为显著的应用成果，表明采用深孔预裂爆破可有效提升综采工作面过陷落柱效率。

4 结论

1) 深孔预裂爆破孔布置方式、装药量以及封孔方式会直接影响爆破效果，根据3207综采工作面、X140陷落柱具体情况，采用LS-DYNA软件模拟得出，爆破孔采用65 mm直径炸药后产生的裂隙范围可覆盖整个采高，从而提高采煤机破岩效率；将爆破孔布置在采面中间位置，间距为2.5 m、封孔长度在6 m，一次爆破最大炸药量控制在200 kg以内。

2) 现场应用后，采面过深孔预裂爆破区时采煤机推进速达到4.05 m/d、推进速度提升14.7%，采煤机截割齿消耗量降幅达到74.5%，取得较为明显的应用成果。但是在现场爆破过程中部分爆破孔由于封孔距离不够出现一定程度冲孔问题，因此在后续使用过程中应引起足够重视，确保封孔长度达到设计要求。