快速处理综采工作面大型断层超深孔扩裂爆破技术方案Word格式.docx
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（一）工作面概况
15101工作面走向长150m，倾斜长平均458m，煤层厚度为6.0m，煤层倾角平均为8°
。
15101工作面采用倾斜长壁后退式综合机械化低位放顶煤全部垮落采煤法。
工作面采用MG300/730-WD采煤机，工作面切眼长150m，采高3.0±
0.1m，循环进度0.8m，放煤高度3.0±
0.1m，放顶煤区段平均为135m，“一采一放”为一循环。
工作面共布置102组支架，其中端头支架（型号ZTA6500/19.5/34）6组，中间支架（型号ZF4800/17/32）96组。
目前工作面胶带顺槽推进127.9米，轨道顺槽推进120.6米，平均回采长度124.25米。
截止目前工作面剩余可采长度290米，剩余可采储量34万吨。
（二）工作面煤层及顶底板情况
工作面地面标高+1250—+1340m；
工作面标高+923—+967m。
井下位置及四邻采掘情况：
15101首采工作面南部为专用回风下山、东部为出煤巷、西部为15102工作面回风顺槽。
煤层情况：
工作面开采煤层属下太原组下端下部的15#煤层，该煤层赋存稳定，煤厚变异较小，煤层结构较复杂。
煤体以黑色、块状为主，粒状次之，内夹黄铁矿，呈团块状，煤质为贫煤。
煤层直接顶板为泥岩、砂质泥岩，厚度10m左右，硬度系数3.0；
老顶为K2灰岩，硬度较大，含水性微弱，厚度7m左右，硬度系数6.0；
直接底为铝质泥岩，厚度1.8m左右，硬度系数3.0；
老底为砂质泥岩，厚度3.5m左右，硬度系数3.5—4.0。
（三）工作面地质构造
本工作面总体地势东北高西南低，总体呈一单斜构造。
工作面东部坡度较缓，西部较大，局部地方底板出现起伏变化，形成小型褶曲，在褶曲转折端会造成煤层及顶板裂隙发育，煤层破碎。
在15101工作面轨道顺槽，分别距离内切眼58m处和出煤巷100m处发育有X11和X12两个陷落柱，两陷落柱特征分别为X11：
长轴方向N30º
E，直径42×
26m；
X12：
长轴方向N60º
E，直径54×
32m,且均位于回采范围内，对回采工作有一定的影响。
15101工作面高抽巷在里程269m处揭露一落差1.5m,倾角41°
，倾向为323°
的正断层。
15101工作面胶带顺槽距出煤巷129m处有一小型向斜,在距出煤巷157m处有一小型背斜。
根据首采工作面坑透资料显示，在X11陷落柱距离内切眼10m范围内可能会衍生出一个落差1.5m左右的正断层。
目前工作面在10#支架破煤层底板，割采岩石。
由47#支架位置开始采面进入全岩，全岩至79#结束，其中岩石最厚位于70#支架左右煤层位于回采顶1m，后在90#支架处进入全煤，回采至机尾留有底板三角煤2m左右。
工作面在81#支架处存在一条倾角为50°
，断距为0.5m的Fj1正断层。
预计延伸长度不超过20m，未在轨道顺槽有出露。
（四）工作面水文地质
工作面煤层直接充水含水层为太原组K2灰岩含水层，该含水层赋水性一般较弱。
15101工作面回采范围内地质条件较为简单，局部地方底板出现起伏变化，形成小型向斜及背斜构造，在向斜及背斜转折端会造成煤层及顶板列隙发育，回采至该处时可能会出现涌水增大现象，向斜轴部在回采过程中还会形成积水区。
矿井奥灰水位为:
+823-+825m，本工作面开采最低标高为+923m，故目前不涉及承压开采。
X11和X12陷落柱经钻探验证不导水，高抽巷在掘进至F3断层时，水量无变化。
在回采过程中，由于顶板自然脱落，造成裂隙发育，预计会破坏顶板K2、K3、K4三层含水层，但这三层含水层赋水性都较弱，且已经打设顶板疏放水孔，在回采过程中预计水量约为15m³
/h，施工队组及时完善排水设施保证正常回采。
根据电法勘探显示，15101工作面内无富水区域，
工作面最大涌水量10m3/h；
正常涌水量5m3/h。
（五）煤层自燃性及爆炸倾向性
2015年山西省煤炭工业局综合测试中心对佳瑞煤业14#、15#煤层进行了煤层自燃倾向性鉴定，鉴定结论为：
14#煤层为（Ⅱ）类自燃，
最短发火期为75天；
15#煤层为（Ⅲ）类不易自燃，最短发火期为97天。
2015年山西省煤炭工业局综合测试中心对14#、15#煤层进行了煤尘爆炸性鉴定，鉴定结论为：
14#煤层煤尘具有爆炸性，火焰长度30mm，14号煤煤尘云最大爆炸压力0.56MPa，最大压力上升速率34.71MPa/s，煤尘云爆炸下限浓度20g/m3，煤尘最低着火温度640℃，煤尘层最低着火温度290℃，岩粉用量55%；
15#煤层煤尘具有爆炸性，火焰长度20mm，15号煤煤尘云最大爆炸压力0.55MPa，最大压力上升速率30.09MPa/s，煤尘云爆炸下限浓度20g/m3，煤尘最低着火温度640℃，煤尘层最低着火温度290℃，岩粉用量50%。
（六）瓦斯含量
根据2012年瓦斯等级鉴定报告的批复，佳瑞煤业公司属高瓦斯矿井。
15101工作面15#煤层预抽前瓦斯含量9.8m3/t，预抽后瓦斯含量5.59m3/t，预抽后无明显瓦斯动力现象。
瓦斯压力0.3MPa以下。
三、3207工作面陷落柱超深孔爆破设计
（一）超深钻孔的钻凿与定位
超深钻孔高质量的钻凿和准确定位是实现超深孔爆破关键和基础，因此，正确认识超深钻孔的偏斜机理和影响偏斜的因素，然后针对性这些因素进行改进才是解决问题的正确方法。
1、超深钻孔产生偏斜原因分析
钻进过程中钻孔偏斜是主、客观因素共同作用的结果。
地质因素是钻进时的客观因素，技术和钻进工艺因素是钻进时的主观因素。
在不同的条件下，两类因素对钻孔偏斜的影响程度是不同的，有时地质因素是主导因素，有时技术和工艺因素是主导因素。
（1）地质因素
影响钻孔偏斜的地质因素主要是钻进岩体的产状、硬度、研磨性、密度、矿物成分、变质程度及结构构造等。
地质因素影响的基础是岩体的非均质性，它对钻孔方向及钻孔特征有着多种作用。
岩石的层理、裂隙、断层、软硬互层、溶洞、卵砾石等结构构造使岩层具有非均质性，造成钻头在孔底受力不均衡，形成倾倒力矩，引起钻孔偏斜，其中层理和软硬互层对钻孔的偏斜最具影响。
地质因素是客观因素，一旦选定地层和钻孔的开孔参数，专业技术人员一般不会去改变地质情况，而主要利用钻孔在地层中的偏斜规律合理地设计钻孔轨迹。
（2）技术因素
技术因素影响具体表现在以下几点：
1）在开孔钻进中，因钻孔方位、倾角校放的不是很准确。
造成钻机立轴与钻孔不在同一条中心线上造成钻孔的偏斜。
2）开孔时立轴内的钻杆过长，立轴筒磨损间隙较大，容易使立轴产生较大的摆动，直接影响钻头在孔底钻进时的稳定性。
3）使用了弯曲的接首、钻杆等，都会使钻具连接后不正，导致钻孔歪斜。
4）在扩孔钻进中，因孔内各处的硬度、孔径大小不一致，钻头可在钻孔内左右移动，靠向孔内一侧，使受压弯曲的钻杆挠度加大，钻头轴线与钻孔的轴线不重合，不能和钻进方向保持一致。
（3）钻进工艺参数
钻进工艺参数是指钻压、转速和钻井液等，钻进工艺参数的选取与所用钻进方法、地层情况、组合钻具所要达到的目的以及钻头的技术参数都有关系。
适当的调整钻进工艺参数决定着组合钻具能否很好地发挥作用。
例如钻压的大小直接决定钻具挠曲变形的大小，转速的大小决定回转产生离心力的大小，而离心力的大小决定挠曲变形和钻具自重对钻孔轨迹作用的程度。
所以为使组合钻具充分发挥调整钻孔轨迹的作用，应根据实际钻进情况，合理选用钻进工艺参数。
工艺因素影响具体表现在以下几点：
1）钻机、钻具的组合使用不当。
不能根据钻孔岩性和使用钻机的特点合理配置钻机和组合钻具。
2）钻进施工时，误操作或钻机加压过大，导致钻杆产生严重的弯曲。
3）在松散或较破碎的煤层或岩层中钻进，使用的冲洗液量过大，会较严重地破坏孔壁，造成孔内局部的塌孔，至使孔径无故扩大。
加压钻进时，钻杆有弯曲空间，钻孔易产生偏斜。
2、预防钻孔偏斜措施
从上述对钻孔偏斜的原因分析可知，为了保证钻孔质量，在钻孔施工过程中，贯彻“防斜为主，纠斜为辅；
一旦偏斜坚决纠”的原则，因此加强对钻孔弯曲的预防工作是十分必要的。
预防钻孔偏斜，要看准主要问题，根据实际经验，应从引起钻孔偏斜的三个基本因素的分析，及时抓好以下几条原则：
（1）正确开孔，保证开孔角度（方位角与倾角）符合设计要求；
（2）在保证顺利钻进的前提下，采取一切措施，尽量缩小孔壁间隙；
（3）粗径钻具长度适当，接起来不弯曲；
（4）根据岩层的具体情况和施工的特殊需要，适当减小钻进压力；
具体的实施方法，应当从以下几点出发：
（1）保征安装质量。
地基要修平、要坚固，支架要安平、安正，机器要装平、装正和装稳。
（2）开孔前准确的找好主轴。
可靠地把钻机基脚和主轴变角装置固定牢固。
（3）钻机的有关部件，磨损过大的要换新的。
（4）适当地加粗径钻具。
（5）根据岩层情况，适当地减轻钻进压力。
遇到开孔、换径、换层、扩孔、溶洞、裂隙等情况，更应当把压力控制在最低限度。
3、钻孔方案
（1）钻机型号
根据工作面情况和搬移方便，易于操作的要求，拟采用石家庄万达生产的ZYJ-270/170单腿液压回转钻机，该钻机配备的钻杆直径为42mm，钻头直径为75mm。
（2）钻孔深度
根据勘测资料在工作面处的揭露情况数据可知，断层岩层在当工作面眼12°
向前推进时，前方的岩石分布情况，如图1所示。
根据设计原则重点处理全岩区域以及岩多煤少区，因此确定爆破范围，长度上以支架42#到79#为界，宽度30米。
根据现有钻孔情况，确定最大孔深15米，分两阶段爆破。
因此其炮眼深度为9-15m即可，如图2所示。
（3）钻孔位置及孔间距
根据现场工作面地质勘探情况，结合采煤高度3.0m和以往模拟实验与现场爆破的经验，Φ63mm的药卷的爆破作用半径等因素，现场确定钻孔布置位置。
暂时拟取采高一半为布置钻孔的中位置，波动200mm处布孔，孔间距暂时取2.0m左右。
水平方向打眼拟采用的炮孔布置方案如图2所示。
图1工作面沿12°
推进时可能遭遇的岩石范围
标注单位m
图2超深孔爆破设计方案俯视及正视图
（二）装药量确定与装药工艺
1、装药壳体的设计
为了使超深孔爆破的装药更为顺利、更为方便，根据爆破模拟实验和柱状药包爆破破裂区范围，特设计了适用于煤矿的扩裂爆破壳体结构。
该壳体结构为PVC材质，其外径为63mm、内径60mm；
有效装药长度为1000mm，并且各壳体之间可以通过螺纹连接，有一定的连接力，其示意图如图3所示。
因此，采用这种壳体的装药结构，可以为装药和爆破带来如下好处：
（1）具有抵抗爆炸冲击波或爆炸应力波的压缩作用，减小炸药动压减敏作用；
（2）药包具有一定的刚度，使药包与炮孔之间更具有适应性，装药更为顺利和通畅；
（3）各药包之间可以紧密连接起来形成药柱，并且它们的连接均具有一定的强度，在装药时可以使整个药柱自由进出，可以避免装药还没有装到位而卡在孔中而没有办法处理的情况，有利于爆破安全。
图3装药壳体及其连接
2、装药量的确定
根据扩裂爆破的装药特点，即炮孔内采用连续装药结构，因此，装药量可以根据炮孔长度，计算出装药的药包个数，再乘以每个药包的药量即可。
根据上述装药壳体的设计，每个壳体大概能装药2.85-2.95kg左右。
因此，根据试验确定的炮孔长度计算试验爆破的总药量，但是，为了保证安全一次爆破总药量不大于200kg为好，爆破作业后观察爆破效果，评估现场作业安全情况。
拟用爆破参数如表1。
共50个炮孔，每孔需两发雷管，共消耗雷管100。
分9次起爆，最小单次准备药量80kg，最大单次准备药量160kg。
表1爆破参数表
炮眼编号
炮眼孔深（m）
装药长度（m）
填塞长度（m）
药量（kg）
爆破编号
雷管段位
准备药量（kg）
装药方式
联线方式
2
12.5
7
5.5
20.7
Ⅰ
1
156
（39包）
正向起爆
串联
3
15
9
6
26.6
4
5
8
Ⅱ
160
（40包）
10
11
12
13
14
Ⅲ
16
17
18
19
20
Ⅳ
21
22
23
24
25
26
Ⅴ
80
（20包）
27
28
续表1
装药
长度（m）
30
14.8
Ⅵ
124
（31包）
31
10.5
4.5
17.7
32
11.5
33
34
23.6
35
36
13.5
Ⅶ
144
（36包）
37
38
39
40
41
14.5
Ⅷ
42
43
44
45
46
47
48
Ⅸ
136
（34包）
49
50
51
52
合计
743.5
443
300
1267.6
1280
（320包）
3、装药工艺
超深孔扩裂爆破的装药是一个关键技术之一，装药好坏或顺利与否，关系到爆破效果的好坏和爆破的安全，因此，在进行装药时要按如下步骤进行。
（1）药包准备与加工
本次试验由于没有现成的药包，试验时必须现场进行加工，加工时先将药包壳体清理干净，再将直径35mm的水胶炸药药卷装入已准备好的壳体内，装入时还应边装边震动壳体，使炸药密实的装入壳体中，炸药装入高度达到最下刻线为止。
（2）探孔
在装药前，为避免炮孔的孔壁有不光滑的现象，先要进行探孔作业，即在装药器上装上与药卷直径稍大的导向头（本次试验时采用70mm）对全长炮孔进行探孔，探孔时如炮孔遇有不光滑的点需要反复推察，使探孔探头能顺利通过为准。
如果遇孔壁完整度差、装药安全存在风险的炮孔，应做好标记，报废该孔，不得继续装药作业，需重新施工。
（3）装药
装药时应有四人配合作业，孔口两人，一人抓住已装入的药包，另一个连接新药包，开始时可以两人用手直接将药包送入。
当药包加长到一定长度后，由于药包重量的增加，孔口的两人不能将药包送入孔中时，另外一人则用装药器辅助他们将药柱送入炮孔中，还有一人记录装入的药包个数。
当接入的药包全部连接好后，一次将所有药柱送入孔中。
（三）起爆系统设计
本次超深孔爆破所使用的炸药为水胶炸药，而水胶炸药在超深孔爆破时，由于先爆的炸药所产生的冲击波或爆炸应力波，对后起爆的炸药产生了动压作用，使后起爆的炸药出现减敏作用，直至爆轰熄灭。
因此，为了解决这个问题，在以往的超深孔爆破中，基本上都采用了导爆索起爆法，以增强超深孔炸药的起爆效果。
但是导爆索起爆法由于装药的不便利，使得装药时间很长，工作效率低，因此，使得超深孔爆破在生产单位很难形成实际的生产率，为了改变这种现状，本次在药卷壳体设计时就已经考虑了这种动压减敏的副作用，因此试验时就采用正向起爆即可。
起爆药包并联接入两个同段煤矿许用毫秒电雷管。
药包外的起爆线用1mm2爆破钢丝线接出，连接时要接紧、接牢，并用防水胶布密封接头，且要使起爆线进行短路连接。
当炮孔填塞好后，再将各起爆线串联接入起爆母线网路，起爆母线要达到300m长（达到远距离起爆的要求），并且中间无接头。
（四）填塞工艺
炮孔的填塞材料俗称炮泥，它的作用是保证炸药反应完全、充分，使其放出最大热量和减少有毒气体生成量，提高炸药的热效率，使炸药的化学能尽量多的转变成机械功。
同时在有瓦斯和煤尘爆炸危险的工作面，除了降低爆炸气体逸出自由面的温度和压力外，还起到阻止灼热固体颗粒从炮孔飞出，减少引燃瓦斯的机会。
在炮孔中不同位置的炮泥，爆破后的运动规律是不同的。
爆炸时炮眼内产生的压力不仅作用在孔壁上，也同时作用在炮泥上，但炮泥不是刚体，而是可压缩的材料，在爆轰压力作用下，靠近装药部分的炮泥开始时运动速度增加很快，基本上按线性增长，这时炮泥产生很大的塑性变形，使其密度不断增大，当密度增大到一定程度后，炮泥和孔壁之间的摩擦力和横向推力也增大，如果此时的摩擦力和抗剪强度大于爆生气体的推力，炮泥的运动速度相对要减小，甚至停止运动。
随着爆轰压力的继续升高，对炮泥的推力不断增大，炮泥中的剪应力也不断增大，直至克服炮泥与孔壁之间的摩擦力和炮泥的剪应力，使炮泥迅速向孔外滑动而抛出炮孔。
靠近孔口的炮泥刚开始时，由于惯性作用向外运动的速度很小，但当爆炸应力波传播到孔口后，从自由面产生反射拉伸作用，使孔口炮泥向外抛出；
同时炮孔内爆生气体对内层炮泥的作用不断增强，其运动速度也会越来越大，推动孔口炮泥产生向外运动的速度也增大，最终两者速度相等一起抛出炮孔。
超深孔爆破的填塞也是非常重要的，它不但关系到爆破效果的好坏也关系到爆破的安全。
因此，需要根据超深孔爆破的不同目的，对炮孔进行针对性的填塞。
为了达到本次试验的目的，填塞时需要注意如下几点：
1、填塞长度的确定
根据相关文献，避免冲孔的安全封孔长度计算公式为L≥nR/（2fλ），其中现场试验爆破孔半径R为37.5mm，侧压系数f为0.3，摩擦
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