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掩護支架工作面安全爆破技術(shù)的試驗研究

文檔作者：胡坤倫楊仁樹羅寧文檔來源： 1．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力建學(xué)院 2．安徽理工大學(xué)化學(xué)工程系		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月08日
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第15卷第1O期
2006年1O月
中 國 礦 業(yè)
CHINA M INING M AGAZINE
Vol_15。NO．10
October 2006
掩護支架工作面安全爆破技術(shù)的試驗研究
胡坤倫 楊仁樹 羅 寧
(1．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力建學(xué)院·北京100083；2． 安徽理工大學(xué)化學(xué)工程系·淮南232001)
摘要：通過對淮南礦業(yè)集團孔李公司，柔性掩護支架工作面爆破工藝改進和爆破參數(shù)優(yōu)化，解決
了爆破后煤體堵塞掩護支架和工作面瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}，提高了生產(chǎn)的安全性，為該礦及相似工作面
提供了一些有益經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞：掩護支架爆破工藝參數(shù)計算安全性
中圖分類號：TD235、4 文獻標識碼：A 文章編號：1004—4051 (2006)10—0079—04
EXPERIMENTAL STUDY oF SAFELY BLASTING
TECHNoLoGY AT THE SHIELD SUPPoRTS FACE
Hu Kunlun ’ Yang Renshu Luoning
(1、College of Mechanics and Construction Engineering China University of Mining
and Technology·Beijing 100083；2．Department of Chemical Engineering
Anhui University of Science and Technology·Huainan 23200 1)
Abstract：Through improving blasting technology and optimizing blasting parameters in the steep coal
seam at Kongli coal mine in HuaiNan Mining Group company at the flexible shield supports face、The prob—
lems that the shield supports are jammed by blasted coals and that gas is accumulated at working face are
solved．The probability of security is increased，and much instructive experience is provided for Kongli coal
mine’S and the similar working faces、
Key words：Fexible shield support Blasting technology Calculating blasting parameters Safety
1 引言
偽傾斜柔性掩護支架采煤法，是用支架隔離老
塘而掩護作業(yè)人員進行生產(chǎn)的，支架借助于老塘矸
石的運動推力和自重下移。偽傾斜柔性掩護支架采
煤法，適用于傾角大于6O。，厚度為2～6m，埋藏
穩(wěn)定，煤層厚度變化不大的急傾斜煤層。回采工作
面沿偽傾斜方向布置，沿走向推進，工作面利用自
滑溜槽出煤，用柔性掩護支架隔離采空區(qū)， 以形成
完整、安全的支護空間，簡化了頂板管理工作，在
急傾斜煤層的開采工藝中，偽傾斜柔性掩護支架采
煤法以其獨特的優(yōu)勢在眾多急傾斜采煤工作面應(yīng)
用 。
1965年淮南礦區(qū)在大通煤礦試驗成功了開采
急傾斜煤層的采煤方法，即偽傾斜柔性掩護支架采
煤法。1994年以后，又在所有的掩護支架工作面
推廣應(yīng)用了毫秒爆破技術(shù)。這些措施，均有效地提
收稿日期：2006—05—31
作者簡介：胡坤倫(1962一) 男安徽蒙城人副教授在讀博
士從事爆炸技術(shù)理論及應(yīng)用的教學(xué)和科研工作
高了大傾角煤層偽傾斜柔性掩護支架采煤法的單
產(chǎn)、效率與安全，有力地促進了生產(chǎn)的發(fā)展“ 。
但在生產(chǎn)應(yīng)用中，由于采用爆破工藝和選用的爆破
參數(shù)不盡合理，常出現(xiàn)爆落的煤體堵塞支架，使得
架內(nèi)通風(fēng)不暢，瓦斯積聚超限，造成潛在的安全隱
患。為解決這些問題必須對爆破工藝進行改進，采
用合適的爆破方法，優(yōu)化爆破參數(shù)。
2 試驗工作面基本情況
試驗研究工作是在淮南礦業(yè)集團孔李公司一
480E1WBllb工作面進行的。該工作面煤層為穩(wěn)定
的中厚煤層，黑色，弱油脂光澤，半暗型煤為主，
呈鱗片狀及粉沫狀，性較軟。走向長638～690m，
傾斜長3．1～35m，面積21912m。；煤層厚度0．4
～ 3．5m，平均厚度2．7rn；煤層傾角68。～8O。，平
均70。；可采指數(shù)0．96。該煤層直接頂為砂質(zhì)黏土
巖，厚度4．5rn，其特性為：灰色，砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，
性致密，易冒落；直接底為粘土巖，厚度1．8rn，
其特性為：灰色，整體易破碎，性較軟。煤層結(jié)構(gòu)
簡單，采用偽傾斜柔性掩護支架采煤法，用爆破法
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80 中國礦業(yè) 第15卷
進行落煤。
3 工作面原爆破工藝
3．1 掩護支架選用
由于“八” 字型單腿支撐式柔性掩護支架，具
有穩(wěn)定性好，適用性強，單產(chǎn)、效率與安全可靠性
高等優(yōu)越性，應(yīng)用較為廣泛。所以，該工作面選用
“八” 字型字單腿支撐式柔性掩護支架。根據(jù)煤層
厚度的變化，選用架型寬度為2m和2．4m 兩種規(guī)
格。
3．2 爆破器材及爆破參數(shù)選取
由于孔李公司李井為“雙突”礦井，根據(jù)《煤
礦安全規(guī)程》規(guī)定，選用三級煤礦許用水膠炸藥，
雷管選用煤礦許用毫秒延期電雷管(用1、2兩個
段別)。
爆破參數(shù)：眼距0．6～ 0．8m，眼深0．8～
1．2m 。
4 爆破工藝改進及爆破參數(shù)優(yōu)化
4．1 爆破工藝的改進
在采用原爆破工藝和爆破參數(shù)時，爆落的煤炭
堆積不合理，煤炭松散破碎，常堵塞支架，使得新
鮮風(fēng)從老塘通過，造成瓦斯超限：另外，采用兩段
雷管進行多炮眼爆破時，對頂?shù)装搴椭Ъ苷駝虞^
大，垮落的頂?shù)装寮涌炝酥Ъ艿南侣?，這也是造成
支架堵塞或通風(fēng)斷面變小的原因。
根據(jù)微差控制爆破的原理 ，采用多段延時微
差爆破可以減少多炮眼爆破時引起的振動，因此把
原來采用的兩段雷管改用五段，這樣大大減少輕放
炮時對頂?shù)装搴椭Ъ艿恼駝?，使支架在放炮時緩慢
下落，因而堵塞支架的可能性減少。另外，采用多
段微差控制爆破時，由于有輔助自由面的作用，使
爆落煤炭沿偽傾斜方向位移，而不是向支架方向，
使煤炭堆積的更合理，這樣也減少了爆落煤炭堵塞
支架的幾率，杜絕了瓦斯超限現(xiàn)象。
4．2 爆破參數(shù)的優(yōu)化
4．2．1 確定合理的最小抵抗線和炮眼深度
(1)裂隙圈半徑的確定
炸藥在煤體中爆炸時，首先在煤體中產(chǎn)生爆炸
應(yīng)力波的動作用，爾后，爆炸生成的氣體產(chǎn)物以準
靜態(tài)的形式，對煤體產(chǎn)生破壞和拋移作用。這兩種
爆炸作用，對煤體中裂隙圈的形成都有貢獻，其大
小與裝藥方式、煤體的結(jié)構(gòu)及爆破參數(shù)等有關(guān)系。
嚴格來說，從理論上計算裂隙圈的精確值是十分困
難的，而且要忽略爆炸沖擊波產(chǎn)生的壓碎圈和爆生
氣體造成的煤體眼壁的移動所造成的擴腔運動。特
別是對于煤體，由于其裂隙十分發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，
理論計算往往和實際情況有差別。因此，在采用理
論計算和工程類比設(shè)計的基礎(chǔ)上，需要在實際應(yīng)用
中，根據(jù)實際條件逐步進行修正 。
根據(jù)爆炸作用的兩種不同形式，裂隙圈半徑的
計算方法也有以下兩種：
按爆炸應(yīng)力波的作用理論，裂隙圈半徑的計算
公式為：
R，一『 (1)
式中R 一裂隙圈半徑；r一炮眼半徑；S 一煤體
的動抗拉強度；b、a一應(yīng)力波衰減指數(shù)b一 (1一
)，a一2一b：其中 為泊松比：P 一炮眼壁煤體
中的初始壓力峰值。
尸z一 1 [爰] · (2)
式中 、D一炸藥的密度和爆速；d 、d 一炸藥
藥卷和炮眼的直徑；7"／一炮眼壁壓力增大系數(shù)，7"／
一8～ 10。
按爆生氣體的準靜態(tài)作用理論，彈性力學(xué)中的
厚壁筒理論有以下公式：
RP== (3)
式中P，一作用在炮眼壁上的靜壓，P，一PI I L口
6 J
1
其中P為炸藥的爆壓，P一÷p0D 。
(2)Il缶界抵抗值的確定
臨界抵抗是裝藥的內(nèi)部裝藥和外部作用的最小
抵抗線的分界值。當最小抵抗大于該值時，只產(chǎn)生
內(nèi)部作用，否則將產(chǎn)生外部作用。I臨界抵抗決定了
松動爆破時裝藥距自由面的最小距離，由于煤體在
爆破時要有少量的位移，允許產(chǎn)生裝藥的外部作
用，因此，裝藥的深度應(yīng)小于臨界抵抗。
按爆炸應(yīng)力波理論，Il缶界抵抗值可按下式求
得：
w。一『 ]÷． (4) L 0T
j
式中R一反射系數(shù)，其余符號同前。
若按爆生氣體的準靜態(tài)理論，I臨界抵抗值可按
下式求得：
W c一 (5)
式中 k與煤體結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，k一1．4～2．0，
其余符號同前。
根據(jù)利文斯頓的一爆破漏斗理論，巖石中的彈
性變形能和破碎能達到飽和狀態(tài)時的埋置深度稱為
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第1O期 胡坤倫等：掩護支架工作面安全爆破技術(shù)的試驗研究
臨界抵抗 ，并有以下關(guān)系：
Wc— Eo Q2鄺 (6)
式中Q一裝藥量；E。一形變能系數(shù)，需由試驗確
定。
從以上分析可以看出：根據(jù)不同的爆破機理，
裂隙圈半徑和臨界抵抗值，有幾種不同的計算方
法，而且各種方法的計算結(jié)果有一定的差異。由于
煤體本身的性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)也難以精確確定，以致
計算帶來誤差，因此，在實際設(shè)計應(yīng)用中，可以取
不同計算方法結(jié)果的加權(quán)平均值，并和相似工程進
行類比，來確定本項目的應(yīng)用參數(shù)。
(3)炮眼間距和深度的計算
爆破初始條件：煤的密度P 一1380kg／m。，縱
波速度C 一1200m／s，泊松比／1—0．3，抗拉強度
S 一2～5MPa，反射系數(shù)R一0．7；采用三級煤礦
許用水膠炸藥的密度po：950～1250kg／m。，裝藥
直徑d 一35mm，炮眼直徑d 一42mm，爆壓P一
2863~4710MPa，單個炮眼裝藥量330g計算(1
卷)，裂隙圈半徑和臨界抵抗值的計算結(jié)果見表1。
表1 裂隙圈半徑和臨界抵抗值的計算結(jié)果
理論計算表明：煤體中的松動爆破的臨界炮眼
間距E 為裂隙圈半徑的2倍，即E= 1．12～
3．42m，最小炮眼深度L等于臨界抵抗值，L—
1．28～ 3．17m 。
表1炮眼間距和炮眼長度為炮眼裝藥不產(chǎn)生外
部作用時臨界計算數(shù)據(jù)，實際爆破時煤體應(yīng)產(chǎn)生適
量的位移，以滿足爆破后的體積膨脹要求，也便于
工人進行攉煤工作，實際取值小于理論計算值。
4．2．2 炮眼密集系數(shù)的確定
炮眼間距與角度合理與否，直接關(guān)系到爆破效
果的好壞，經(jīng)實地考察，煤層松軟破碎或煤壁灰
色，整體易破碎，性較軟。根據(jù)炸藥爆炸作用過
程，爆轟波沖擊炮眼壁，煤體在三面夾制作用的條
件下，只能向架內(nèi)采空區(qū)拋起，煤體單元體在沖擊
波傳播方向上受力，單元體受力獲得傳播方向運動
的速度開始向外運動，運動結(jié)果使單元體在垂直傳
播方向上受拉力，之后產(chǎn)生的爆生氣體楔入裂縫的
過程中，煤巖中原有的裂縫，可引起引導(dǎo)和阻斷作
用，使得爆破后的煤體，能沿著偽斜面總體向下運
動。選擇炮眼間距和排距a、b并結(jié)合煤質(zhì)實際狀
況，來確定密集系數(shù)m。
從試驗數(shù)據(jù)記錄和爆堆的情況，排距和炮眼間
距相對固定，作出了隨炮眼數(shù)變化的架內(nèi)空斷面高
度的關(guān)系圖，如圖1、圖2所示。通過試驗數(shù)據(jù)處
理，可以得出眼距和排距：a一0．75～ 1．1m，6—
0．55～0．70m， 所以m—a／b=1．O7～2。
圖1 2m寬掩護支架炮眼數(shù)和炮后掩護
支架內(nèi)空斷面的高度關(guān)系
llae number of bla sting holes／n
圖2 2．4m 寬掩護支架炮眼數(shù)和炮后掩護支架
內(nèi)空斷面的高度關(guān)系
4．3 炮眼布置
根據(jù)上述爆破參數(shù)的計算結(jié)果，結(jié)合工作的煤
層結(jié)構(gòu)和支護情況，炮眼在偽斜工作面的布置形式
如圖3所示。
5 應(yīng)用效果
5．1 效果
通過對掩護支架炮采工作面爆破作業(yè)環(huán)境的分
析，結(jié)合試驗工作面的具體情況，對爆破參數(shù)的優(yōu)
化和爆破工藝的改進，解決了因爆破參數(shù)不合理和
爆破工藝不當，引起煤體過度破碎和拋擲問題，爆
落的煤炭堆積合理，不會堵塞支架，確保通風(fēng)暢
通，保證了生產(chǎn)的安全。
5．2 結(jié)論
(1)炮眼角度與偽斜面成8O。左右，考慮到掩
護支架條件下，架內(nèi)空間有限，對w 進行修正，
結(jié)合煤體結(jié)構(gòu)和支架寬度相關(guān)的系數(shù)，炮眼深度L
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82 中國礦業(yè) 第15卷
A—A剖面
B
圖3 工作面炮眼布置
= (O．75～O．80)W ，該值可滿足在支架內(nèi)操作
的需要，又能保證爆破效果。
(2)試驗結(jié)合一次炮眼數(shù)與爆破后架內(nèi)空斷面
高度，優(yōu)化選取眼距0．75～1．1m，排距0．55～
0．70m，所以炮眼密集度以1．07~2m較為合理。
(3)在多組爆破時，應(yīng)盡可能使用1至5段
毫秒延期雷管按順序起爆，這樣使煤炭沿偽斜方向
位移，減輕對頂?shù)装宓恼駝?，減緩支架下落速度，
避免支架堵塞和瓦斯超限，保證安全生產(chǎn)。
5．3 建議
(1)根據(jù)煤層及頂?shù)装鍡l件，及時調(diào)整爆破參
數(shù)，優(yōu)化爆破設(shè)計。在現(xiàn)場的實際推廣應(yīng)用中，必
須根據(jù)條件的變化，調(diào)整和優(yōu)化爆破參數(shù)，并嚴格
按照設(shè)計的參數(shù)執(zhí)行。
(2)加強管理和監(jiān)測，確保新技術(shù)貫徹執(zhí)行；
加強技術(shù)培訓(xùn)，提高全體工人的技術(shù)水平和責(zé)任
心，特別是加強班組長和技術(shù)員的責(zé)任心，提高技
術(shù)水平，在現(xiàn)場應(yīng)用中，及時合理地調(diào)整爆破參
數(shù)，以達到安全高效的目的。 ／
參考文獻
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報道內(nèi)容：以煤礦及非煤礦山安全技術(shù)、礦山環(huán)境保護技術(shù)為主，包括礦井瓦斯、煤與瓦斯突出
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