硬顶煤深孔预裂爆破技术的研究与应用

硬顶煤深孔预裂爆破技术的研究与应用

兖煤菏泽能化有限公司王玉昌

摘要：综采放顶煤是厚煤层实现高产高效、安全、低耗、低成本的采煤工艺。随着放顶煤采煤法的应用，顶煤硬度大不易冒落，可放性差，成为造成顶煤回收率降低的主要问题。本文介绍了硬顶煤条件下，深孔预裂爆破技术在放顶煤开采中的研究及应用，对深孔预裂爆破的机理、试验研究进行了论述。该课题作为原煤炭工业部“九五”攻关项目“综采机械化放顶煤开采成套技术与装备研究”的子专题，.成功地提出一套50～80米深孔控制预裂爆破的打钻、成孔、装药、封孔及起爆工艺与配套设备，经科技项目检索查新，达到国际先进水平，具有广阔的应用前景。

关键词：综采放顶煤开采硬顶煤深孔预裂爆破煤炭回收率

1.概述

兖矿集团鲍店煤矿是一座年设计能力300万吨的大型现代化矿井。目前主要采用综采放顶煤开采技术。

顶煤硬度大、可放性差，顶煤滞后冒落、产生大块是造成顶煤回收率低的主要原因之一。硬顶煤深孔预裂爆破技术的研究目的和意义是：针对一些煤体强度大，节理裂隙不发育，顶煤中含夹矸，等条件下的放顶煤开采工作面，生产中存在的顶煤滞后冒落或产生大块堵住天窗，使顶煤不易放出等情况，采用“深孔预裂爆破技术”，在回采前进行顶煤预裂，并结合常压注水，提高顶煤可放行，从而提高顶煤回收率，减少采空区自燃发火，提高煤炭产量。

2.硬顶煤深孔预裂爆破机理

在工作面顺槽内，沿工作面倾斜方向打爆破空与控制空；孔深50～100m，爆破孔直径为75mm，控制控直径为90mm，孔间距为8m左右。通过爆破作用，炮孔周围产生直径为100～250mm的柱状粉碎圈带和一沿爆破孔与控制孔连心线方向长为8～10m的贯穿爆破裂缝带及次生的裂隙圈带。爆破后，通过爆破孔向煤层注水，进一步扩大裂隙带几次生裂隙带的宽度；此外，在支架与矿压的反复作用下，使已经产生大量裂缝的顶煤进一步破碎。这样，在放煤过程中，可以将硬顶煤顺利放出，达到提高工

作面回采率与煤层注水的效果，减少采空区浮煤，防止自燃发火的目的。

3.深孔预裂爆破研究与实施的基本条件

1310综放面是鲍店煤矿北翼一采区的第八个区段，工作面走向长度1028m，倾向长198m，所采煤层为山西组3层煤，煤层厚度8.2～9.5m，平均8.70m，煤层普氏硬度f=3.6～4.9。硬质煤体较发育。工作面采用综采放顶煤一次采全高的采煤方式，放煤采用双轮顺序多头点放煤，放煤步距1.2m，采放比为1 ：1.9，选用ZFP5600-17/35低位放顶煤支架，采煤机为AM-500双滚筒采煤机。正常情况下，回采率为80%左右。

4.深孔预裂爆破的工艺过程及方法

4.1试验工艺与装备

4.1.1打钻：利用钻机按照设计要求打出钻孔。

4.1.2装药：采用压风装药器及抗静电阻燃塑料管，进行连续耦合装药。为防止管道效应的产生，沿炮孔全长敷设煤矿导爆索。装药密度为0.7～0.8g/cm3，单位长度装药量为4kg/m。炸药型号为一级煤矿许用硝铵炸药。

4.1.3封孔：使用装药器和抗静电阻燃塑料管，进行压风喷泥封孔。为了使爆破孔爆破后不产生“打筒”现象，保证预裂爆破效果和施工安全，封孔长度必须大于12m。

4.1.4起爆：采用双炮头、正向起爆的爆破方法。起爆器型号为MFB-200。每次起爆不得超过一个爆破孔。爆破孔内两个炮头的雷管脚线为并联。炮头制作前，须进行雷管导通测试。连好放炮母线，经检查无误后，方可在警戒线外有掩护的安全地点进行放炮。警戒距离不小于200m。

4.1.5注水：爆破后，将爆破孔内的炮泥用钻机掏出，作为注水孔与控制孔一起进行煤体注水。

4.2工艺过程及操作说明

4.2.1装药

4.2.1.1准备工作

(1)对于爆破孔前后10m范围内的巷道支护进行检查加固。

(2)对于爆破地点及附近的设备、电缆进行妥善保护。

(3)将装药器抬到爆破孔附近，固定好，清理干净。

(4)接上风源，打开进气阀，封盖、调压、检查装药器密封情况。

(5)接好输药管，打开送药阀，吹净装药器内及输药管内的杂物及水。

(6)将各阀门手柄处于关闭位臵。

1.进风口；

2.上风路；

3.底风路；

4.卸压口

5.装药口

6.输药口；

7.输药开关

8.调压阀

9.搅拌桨摇把10.缸体

图1 BQF-50A型装药器示意图

4.2.1.2劳动组织

该装药器由5人操作，一人上药，一人操作装药器各阀门，二人负责拔管，一人负责盘管。

4.2.1.3操作步骤

(1)送输料管：将输药管插入孔内，同时将导爆索钩挂在输药管的端头，

一起送入孔底，送管时可打开底风，以免煤渣进入输料管内。导爆索的长度要比装药长度长2～3m，其外端要用细铁丝系住连出孔外。

(2)上药：第一次上药不得超过10kg，药粉不能结块或有其它杂物。

(3)封盖：通过调压阀调节装药器压力，保持在0.35～0.4MPa。

(4)拔管人员将输药管拔出0.5～1m,然后向装药器操作人员发出装药指令。

(5)一次打开送药阀门，并摇动搅拌手柄，同时拔管开始（送药到开始拔管间隔时间应根据输药管长度确定，在0.35～0.4MPa压力下，药的装运速度为5～6m/s，拔管速度一般为0.5～0.6m/s。

(6)当发现孔内返风时，通知关闭给药阀门（此时压力表下降到0.2MPa 左右）。可打开底风，反复吹一两次。

(7)重复以上装药过程，直至装药到预定长度为止。为了较好掌握装药长度，避免封孔段过短，应预先在输药管做上记号。

(8)每次将一个炮头用炮棍缓缓送到预定位臵，使其与炸药充分接触。

(9)在炮头送入后，用炮棍封入200～300mm的炮泥。

4.2.2封孔

利用装药器和抗静电阻燃塑料管及压风喷泥技术封孔。

(1)采用过筛的略潮黄土作为封孔材料；

(2)上土每次不超过5kg ；

(3)封盖后将压力调至最大；

(4)将输土管送入炮头后的封泥处，并通知送料；

(5)拔管时可随喷土时的反作用力缓缓向外退管；

(6)重复以上过程直至孔长度≥12m为止。

(7)封孔后，将装药器连同输土管一并用清水清洗干净，并用风吹干，以备下次再用。

4.2.3起爆

装药、封孔完成后，连好放炮母线，经检查无误，方可在警戒线外的安全地点进行放炮。

4.3深孔预裂爆破的工业试验

4.3.1工艺与设备的研究试验

“硬顶煤深孔预裂爆破技术的研究”有两个技术关键: 一是打钻成孔工艺；二是装药起爆与封孔工艺。

4.3.1.1打钻与成孔的试验研究

在实施深孔预裂爆破技术的过程中，为了取得预期爆破效果，保证爆破安全和生产过程中不出现局部冒顶及较大的折帮，需要根据具体情况布臵爆破孔和控制孔，并且要求其成孔质量好、定向准确和达到设计深度。为确保定向准确，我们研制了三级变径定向钻头。该钻头是一种组合式钻头。它由三个不同直径的钻头组合而成，其中，第一级为Φ50mm，第二级为Φ60mm，第三级为Φ75mm。每级钻头之间距离为400mm。在研制三级变径钻头的同时，还根据孔径的不同选择使用了煤芯管钻头。

4.3.1.2装药器和输药管的研制与改进

深孔预裂爆破技术的首要问题是装药工艺，为此采用了压风装药器和抗静电阻燃塑料管相配套的连续耦合装药。通过研究试验，改进了装药器，在罐体内安装了搅拌装臵，从而很好地解决了反粉、堵管问题，实现了连续耦合装药，使装药速度大大提高，以50～70m深孔为例，纯装药时间仅20～30分钟。在解决深孔爆破的装药工艺的同时，对其封孔工艺也进行了深入细致的研究。由于深孔预裂爆破的爆破孔封孔长度大，封泥量大，采用传统的炮棍封泥方法，存在着封泥速度慢、劳动强度大、封泥质量差、间断封泥等特点。为克服上述缺点，经过研究试验证明，使用装药器进行封孔具有封泥压力大，封孔质量好，和封孔时间短等优点。

为了保证深孔预裂爆破装药到位和在井下有限空间操作方便，对输药管也进行了改制。改制的抗静电阻燃输料管为15m一节，梯形螺纹对接。它具有刚度好，连接快和操作方便等优点。

4.3.2深孔预裂爆破参数的选择

根据该项目的技术方案和实验室研究及理论分析，并结合现场的实际条件，在试验中重点对爆破孔直径、爆破孔与控制孔间距以及封孔长度这几个主要参数进行了合理选择。

4.3.2.1爆破孔与控制孔孔径的选择

由理论分析和模拟试验可知，爆破孔孔经越大，装药量越多，爆炸能量越大；控制孔孔径越大，其导向及补偿作用越显著；因而，越有利于裂

隙的形成和扩展。但在现场试验过程中，由于受各方面条件的制约，爆破孔和控制孔是不可能随意扩大的，通过实验室模拟试验可知，爆破孔和控制孔孔径对爆破裂隙范围的影响也是有限的。因此，我们根据模拟试验的结果和以往的经验，选择爆破孔孔径为Φ75mm，控制孔孔径为Φ90mm。经现场试验，采用MYT-150型钻机打Φ75mm、Φ90mm钻孔，无论在钻进深度上，还是钻孔定向和成孔质量上均能满足试验要求。

4.3.2.2爆破孔与控制孔间距的选择

理论分析和模拟试验表明：在煤层条件一定时，孔间距的大小与爆破孔、控制孔的直径相匹配，即它们之间有一个比较合理的范围，才有利于裂隙的形成和扩展。通过现场试验，最终确定8m孔间距比较合理。

图2 深孔预裂爆破钻孔布臵示意图

4.3.2.3爆破孔封孔长度的确定

在硬顶煤深孔预裂爆破中，爆破孔的封孔长度是一个非常关键的参数，它不仅要保证爆破后爆破孔不打枪，保证预裂爆破效果；而且还要有足够的长度以保护巷帮煤体不被破坏和一米厚的顶煤保护层以防超前冒顶。

深孔预裂爆破的炮孔装药为连续耦合装药，是典型的柱状装药，爆破后，其爆炸力在对炮孔壁作用的同时，也对炮孔的轴向发生作用；而且在轴向应力波中，以轴线方向上的应力波为最强。由于孔口方向有巷帮存在，自由面较大，更有利于应力波的反射，造成煤体的破坏。封孔材料为微潮的黄土，其塑性较好，能有效地吸收爆破应力波，使其迅速大幅度衰减，从而减轻了应力波对煤体的破坏作用。由于采用的是正向起爆，爆轰波传播方向是由孔口向孔底传播，所以爆炸应力波相对地对孔口方向作用较小。在预裂爆破中，在爆破孔两边布臵了控制孔，由于控制孔作为补偿空间（自由面）存在于爆破空的同一平面上，使爆炸能量向控制孔方向作用，从而减少了爆炸应力波对巷帮煤体的破坏作用。

通过上述理论分析，结合多年来积累的经验，简要总结出深孔预裂爆破封孔长度的确定原则：

1.根据爆破空与控制孔间距确定封孔长度；

2.根据具体巷帮煤体的矿压分布情况即卸压带和应力集中带的范围确定封孔长度；

3.根据预留顶煤保护层的厚度和爆破孔布臵的角度计算确定封孔长度。

最终确定的封孔长度一定要大于或等于根据上述三条规则确定的最大封孔长度。

因此，在实验过程中，根据上述原则，结合现场的具体条件确定了50～70m深炮孔的合理长度为12～20m。通过工业试验没有发生打枪、破坏巷帮及崩倒棚子等现象；工作面进入爆破区内也没有发生超前冒顶和较大的折帮等影响生产的现象。所以据此确定的封孔长度是合理的，在安全上也是可靠的。

4.3.3深孔预裂爆破的工业试验

根据课题研究计划，并结合矿上生产的实际情况，确定在1310工作面轨道顺槽一进提向上100m开始，至停采线间300m范围内进行深孔预裂爆破的工业试验。先在小范围内进行中间试验，取得合理参数后，然后在此地点200m范围内进行了25组试验，目的是通过大范围的试验，进一步验证孔网和爆破参数的合理性，完善各项工艺技术，从而达到研究目标。

4.4安全技术要求

为确保深孔预裂爆破施工的安全顺利进行，必须对施工人员进行深孔预裂爆破的安全技术培训，组织施工人员进行地面装药模拟试验。并编制安全可行的安全技术措施，以确保施工安全。

5.效果

(1)提高了综放工作面的回采率

由于深孔预裂爆破使顶煤的结构发生了改变，在顶煤生产中产生了大量裂隙，降低了顶煤的整体强度，改变了承载能力，所以在矿压和支架的反复作用下，使其进一步破碎，从而在放煤过程中可以将硬顶煤顺利放出，提高了回收率，因此达到提高回采率的目的。通过近两个月的统计计算，综放面的回采率已由原来的81.7%提高到86.1%，达到了预期指标。

(1)爆破区顶煤及顶板移动曲线

(2)非爆破区顶煤及顶板移动曲线

(3)1、2、3分别为爆破区三个观测点

1'、2'、3'分别为非爆破区三个测点

图3 爆破区与非爆破区顶煤移动对比曲线图

(1)爆破区顶煤及顶板移动曲线

(2)非爆破区顶煤及顶板移动曲线

(3)α1爆破区顶煤平均冒落角（68°）；α2非爆破区顶煤平均冒落角（43°）

(4) △煤及岩断裂冒落点

图4 爆破区与非爆破区冒落角对比示意图

我们采用深基点观测方法对顶煤移动、顶煤冒落角进行了观测和分析。观测证实，通过预裂爆破，加剧了开采过程中的顶煤移动和松动破碎。非爆破区冒落角平均为43 °，而预裂爆破区冒落角则平均为68°，提高了25°，说明预裂爆破后，顶煤整体强度明显降低，上位顶煤及时冒落，提高了顶煤可放性。通过顶煤破碎块度的观测表明，预裂爆破后，顶煤块

度分布改善，中等块度比率升高。

图5 爆破区与非爆破区域块度分布比率示意图

6.结论

本课题通过理论研究、实验室模拟和现场工业试验，可得出如下结论：

1.理论分析和实践都充分证明，在坚硬煤层中进行深孔预裂爆破，能够合理利用炸药的爆炸能量和控制孔的导向和补偿作用，在爆破孔和控制孔之间形成包括径向裂隙和环向裂隙交错的裂隙圈及次生裂隙圈在内的较大联通裂隙网，从而减低煤体的整体强度。

2.通过实验室模拟试验，确定了对爆破裂隙产生影响的主要因素是孔间距L与爆破孔直径的比值L/d，岩层应力σ0和普氏系数f值等。

3.成功地提出一套50～80米深孔控制预裂爆破的打钻、成孔、装药、封孔及起爆工艺与配套设备。

4.通过深孔预裂爆破，使回采率由81.7%高到86.1%，提高了4.4%。

5.深孔预裂爆破不仅能够提高顶煤的可放性，而且是防止冲击地压的有效方法。

6.利用预裂爆破后煤体裂隙发育的有利条件进行煤层注水，使煤体含

水率达到了4.886%。比原来提高了1.864。

参考文献：

1.顶煤爆破弱化研究

《中国煤炭学会第四届青年科学技术研讨会论文集》1996.7 154-157 煤情TD-53 C970284

2.坚硬顶煤破碎过程中的力学分析

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3.Developments in coal industry deep hole blasting

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