深孔预裂爆破技术在红阳三矿工作面过断层中的应用

李荣昌

（沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿，辽宁 辽阳 111307）

1 概况

红阳三矿北二下采区1210-2工作面主采12煤。1210-2 工作面切眼掘进过程中，开切眼距上顺槽5 m 处揭露落差7 m 正断层，断层以粗砂岩为主，硬度较大，采煤机截割困难。为保证工作面顺利回采，计划对断层体坚硬岩层实行深孔预裂控制爆破。

2 断层体深孔控制预裂爆破参数设计

深孔预裂爆破参数主要包括炸药类型、炮眼直径、炮眼深度、炮眼间距、单孔装药量、封孔距离等参数。爆破炸药选用矿井目前使用的二级煤矿许用粉状乳化炸药，炮眼Ф75 mm，药卷Ф35 mm，设计钻孔最长深度40 m。

1）炮眼间距

① 依据松动圈半径确定钻孔间距

装药爆破后作用于孔壁初始冲击压力：

式中：P2为初始冲击压力，MPa；ρ0为炸药密度，通常为0.95～1.25 g/cm3，取1100 kg/m3；D为炸药爆速，D≥3000 m/s，取3650 m/s；n为压力增大系数，n=10；dc、db分别为炸药和炮孔的直径，分别取35 mm、75 mm。

经计算，孔壁初始冲击压力189.2 MPa。

根据弹塑性理论，炮孔周围煤层破裂区范围为：

式中：R为破裂区范围，m；b为波速比，b=μ/（1-μ），其中μ为岩石泊松比，取0.36；σt为岩石抗拉强度，取3.48 MPa；α为应力波衰减系数，α=2-μ/（1-μ）；rb为炮孔半径，取37.5×10-3m。

经计算，破裂区范围0.405 m。因此，布孔间距选择0.81 m。

② 依据最小抵抗线确定孔间距

计算最小抵抗线值：

式中：d为炮孔直径，取0.075 m；Δ 为装药密度，取270 kg/m3；τ为深孔装药系数（当炮眼深度H＜10 m 时，τ=0.6，当H=10～15 m 时，τ=0.5，当H＞15 m 时，τ=0.4），取0.4；m为深孔密度系数，对于平行孔m=0.8～1.1，取0.9；q为炸药消耗量，依据岩石普氏系数f≈4，查表取值0.43 kg/m3。

经计算，最小抵抗线W为1.11 m。

考虑到爆破受环境变化影响较大，在初始爆破阶段选择偏安全孔间距。综合上述计算结果初始布孔选择1.2 m 孔间距作为布孔依据。

2）单孔装药量

单孔装药量计算依据下式计算：

式中：Q为钻孔装药量，kg；L为单位钻孔装药长度，m；l为药卷长度，0.22 m；c为单卷炸药质量，0.2 kg。

根据计算结果，单米钻孔装药0.91 kg。

3）封孔距离

装药长度为20～40 m 时，封孔长度8～15 m。

3 爆破钻孔布孔

1）布孔参数设计

爆破孔为爆破装药孔，对破岩起主导作用。控制孔为不装药空孔，控制孔对预裂爆破主要起到提供自由空间、爆破裂隙导向等作用；同时，在爆破结束后，控制孔可用来观察确定爆破效果的好坏。具体布孔位置及钻孔编号如图1。

图1 深孔预裂爆破钻孔布置设计图

深孔预裂爆破岩石钻孔布孔6 排，自底板向上交替布置爆破孔和控制孔，爆破孔和控制孔间排距0.5～0.6 m，同排钻孔列间距1.0～1.2 m。

2）施工完成钻孔参数

累计施工岩石钻孔61 个、煤层钻孔2 个（包括断层走向探测孔）。岩石钻孔单孔最长孔深40.5 m，最短孔深4.5 m。2 个煤层钻孔孔深分别是37.0 m 和37.5 m。各长度钻孔数量统计如图2。

图2 各长度钻孔数量统计图

4 爆破装药及爆破效果考察验证

4.1 爆破装药

1）试验孔起爆

在爆破初期，选取试验孔进行爆破作业，依据试验孔爆破效果进一步调整布孔参数。爆破试验孔编号为14，钻孔施工完成后进行装药爆破。装药长度为5 m，封孔长度为5.4 m。

2）单孔起爆

考虑到安全及工作面顺槽爆破后剩余煤柱宽度对震动承载性，设计采用单孔爆破方法，即每钻一孔后立即装药爆破。第1 阶段深孔爆破35 个，第2阶段封孔段爆破32 个，共计67 个。

第1 阶段深孔爆破35 个，最长40.5 m 单孔装药量27 kg，累计装药292 kg，使用导爆索590 m。封孔段距离根据装药量多少确定，一般为3.5～10.5 m。

第2 阶段对自开切眼沿工作面向外10 m 范围封孔段进行爆破，将深孔爆破时控制孔改做爆破孔，设计32 个钻孔，装药132 kg，使用导爆索313 m，一般封孔距离为2.2～4.3 m。

4.2 爆破效果考察

利用钻孔窥视仪考察爆破前后爆破孔周围钻孔的破损情况，见表1。

表1 窥视仪记录表

切眼各孔相对位置如图3，其中孔号12#、14#、18#为爆破孔，孔号12#、13#、61#、23#为控制孔，兼做效果考察孔。

图3 钻孔位置示意图（正视图）（m）

考察结果分析（表1）：

1）13#孔、14#孔

在12#钻孔爆破之前探测了13#孔、14#孔。通过探测，爆破前13#孔内有煤粉，岩石长度4.8 m，煤体长度2.2 m，岩石中裂隙较少，孔中煤壁被清洗后较为破碎；14#孔内岩体完整，裂隙发育较少。

2）12#孔（12#孔爆破后和14#孔爆破后对比）

12#孔效果考察只记录了在自身爆破和邻孔14#孔爆破后效果，12#孔爆破前由于水、风冲孔过程将孔底煤泥带出，孔壁变黑，窥视仪无法识别。由钻孔录像和相关记录可知：12#孔爆破后自孔口向里5.3～7 m 岩体完全破碎，14#孔爆破后自孔口向里2.4 m、3.3 m、4.0 m 处裂隙变多，5.3～7 m 岩体破碎。

14#孔爆破后比12#孔爆破后裂隙明显增加，出现龟裂现象，部分岩块掉落，甚至出现了塌孔现象。

3）61#孔（12#孔爆破前后对比）

61#孔探测分别在12#孔爆破前后各进行一次。根据探测结果可知：61#孔在12#孔爆破前岩体裂隙发育少，煤体破碎，在12#孔爆破后，自孔口向内1～6 m 范围内裂隙增加较多，爆破后裂隙更加发育，且上部裂隙明显增加，爆破前后煤孔均处于破碎状态，爆破后煤体破碎严重，窥视仪无法深入孔底。

61#孔和12#孔间距是0.45 m，12#孔爆破后，61#孔孔壁增加多条裂隙，说明12#孔爆破效果可以影响到距离钻孔0.45 m 岩体，能够松动爆破孔周围岩体。

4）23#孔（14#孔爆破后）

14#孔爆破之后考察了23#孔孔壁破损情况。根据探测结果可知：封孔处孔壁裂隙不多，孔口向里6.7 m 裂隙变多，8.4 m 以后裂隙不断增加，孔壁内不断有小块岩屑脱落。

23#孔距离爆破14#孔约0.8 m，14#孔爆破后，23#孔内裂隙增加，说明14#孔爆破可以影响到距钻孔0.8 m 范围内岩体。

4.3 工作面断层走向及发育情况验证

通过工作面实际回采效果及利用YTJ 型岩层钻孔窥视仪对爆破孔周围控制孔探视观测来验证。根据工作面推进过程断层实际揭露情况来看，断层体沿工作面回采方向逐渐减小，前期打钻探孔推测断层走向和发育情况与实际情况一致。另外：

1）从工作面回采揭露爆破钻孔断面实际情况来看，爆破孔周围350 mm 范围内岩体破碎非常明显，再向外可以观察到扩展裂隙存在。

2）回采过程中进行打眼放炮，炮眼垂直切眼走向布置，每天进尺6 刀左右，较以往其他工作面过断层推进速度有所提高。

3）从回采过程打眼爆破效果来看，打眼装药1.8 m，爆破抛岩接近1.8 m，单次爆破深度加大，岩石块度较为均匀，没有出现大块现象。

4）从工作面回采推进过程来看，断层体区域（距离回风顺槽7～23 m 范围）直接顶随采随垮，预裂爆破断层区岩石已经碎裂松动。

5 结语

红阳三矿北二下采区1210-2 工作面切眼揭露落差为7 m 正断层，岩体硬度较大。为保证工作面顺利回采，矿井采用深孔预裂控制爆破技术碎裂断层体。经现场实际应用，通过工作面实际回采效果及窥视仪观测，深孔控制预裂爆破能够在一定程度上破碎断层岩体，形成裂隙，对工作面回采起到了一定促进作用，但由于工作面支架下卧，部分断层体留存于顶板中，断层深孔爆破主体区域效果无法验证。从断层体区域直接顶随采随垮实际来看，爆破对预裂破碎岩体起到了一定效果。