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掩护支架工作面安全爆破技术的试验研究

文档作者：胡坤伦杨仁树罗宁文档来源： 1．中国矿业大学(北京)力建学院 2．安徽理工大学化学工程系		点击数：	更新时间： 2021年05月08日
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第15卷第1O期
2006年1O月
中 国 矿 业
CHINA M INING M AGAZINE
Vol_15。NO．10
October 2006
掩护支架工作面安全爆破技术的试验研究
胡坤伦 杨仁树 罗 宁
(1．中国矿业大学(北京)力建学院·北京100083；2． 安徽理工大学化学工程系·淮南232001)
摘要：通过对淮南矿业集团孔李公司，柔性掩护支架工作面爆破工艺改进和爆破参数优化，解决
了爆破后煤体堵塞掩护支架和工作面瓦斯浓度超限的问题，提高了生产的安全性，为该矿及相似工作面
提供了一些有益经验。
关键词：掩护支架爆破工艺参数计算安全性
中图分类号：TD235、4 文献标识码：A 文章编号：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
伪倾斜柔性掩护支架采煤法，是用支架隔离老
塘而掩护作业人员进行生产的，支架借助于老塘矸
石的运动推力和自重下移。伪倾斜柔性掩护支架采
煤法，适用于倾角大于6O。，厚度为2～6m，埋藏
稳定，煤层厚度变化不大的急倾斜煤层。回采工作
面沿伪倾斜方向布置，沿走向推进，工作面利用自
滑溜槽出煤，用柔性掩护支架隔离采空区， 以形成
完整、安全的支护空间，简化了顶板管理工作，在
急倾斜煤层的开采工艺中，伪倾斜柔性掩护支架采
煤法以其独特的优势在众多急倾斜采煤工作面应
用 。
1965年淮南矿区在大通煤矿试验成功了开采
急倾斜煤层的采煤方法，即伪倾斜柔性掩护支架采
煤法。1994年以后，又在所有的掩护支架工作面
推广应用了毫秒爆破技术。这些措施，均有效地提
收稿日期：2006—05—31
作者简介：胡坤伦(1962一) 男安徽蒙城人副教授在读博
士从事爆炸技术理论及应用的教学和科研工作
高了大倾角煤层伪倾斜柔性掩护支架采煤法的单
产、效率与安全，有力地促进了生产的发展“ 。
但在生产应用中，由于采用爆破工艺和选用的爆破
参数不尽合理，常出现爆落的煤体堵塞支架，使得
架内通风不畅，瓦斯积聚超限，造成潜在的安全隐
患。为解决这些问题必须对爆破工艺进行改进，采
用合适的爆破方法，优化爆破参数。
2 试验工作面基本情况
试验研究工作是在淮南矿业集团孔李公司一
480E1WBllb工作面进行的。该工作面煤层为稳定
的中厚煤层，黑色，弱油脂光泽，半暗型煤为主，
呈鳞片状及粉沫状，性较软。走向长638～690m，
倾斜长3．1～35m，面积21912m。；煤层厚度0．4
～ 3．5m，平均厚度2．7rn；煤层倾角68。～8O。，平
均70。；可采指数0．96。该煤层直接顶为砂质黏土
岩，厚度4．5rn，其特性为：灰色，砂泥质结构，
性致密，易冒落；直接底为粘土岩，厚度1．8rn，
其特性为：灰色，整体易破碎，性较软。煤层结构
简单，采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法，用爆破法
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80 中国矿业 第15卷
进行落煤。
3 工作面原爆破工艺
3．1 掩护支架选用
由于“八” 字型单腿支撑式柔性掩护支架，具
有稳定性好，适用性强，单产、效率与安全可靠性
高等优越性，应用较为广泛。所以，该工作面选用
“八” 字型字单腿支撑式柔性掩护支架。根据煤层
厚度的变化，选用架型宽度为2m和2．4m 两种规
格。
3．2 爆破器材及爆破参数选取
由于孔李公司李井为“双突”矿井，根据《煤
矿安全规程》规定，选用三级煤矿许用水胶炸药，
雷管选用煤矿许用毫秒延期电雷管(用1、2两个
段别)。
爆破参数：眼距0．6～ 0．8m，眼深0．8～
1．2m 。
4 爆破工艺改进及爆破参数优化
4．1 爆破工艺的改进
在采用原爆破工艺和爆破参数时，爆落的煤炭
堆积不合理，煤炭松散破碎，常堵塞支架，使得新
鲜风从老塘通过，造成瓦斯超限：另外，采用两段
雷管进行多炮眼爆破时，对顶底板和支架振动较
大，垮落的顶底板加快了支架的下落，这也是造成
支架堵塞或通风断面变小的原因。
根据微差控制爆破的原理 ，采用多段延时微
差爆破可以减少多炮眼爆破时引起的振动，因此把
原来采用的两段雷管改用五段，这样大大减少轻放
炮时对顶底板和支架的振动，使支架在放炮时缓慢
下落，因而堵塞支架的可能性减少。另外，采用多
段微差控制爆破时，由于有辅助自由面的作用，使
爆落煤炭沿伪倾斜方向位移，而不是向支架方向，
使煤炭堆积的更合理，这样也减少了爆落煤炭堵塞
支架的几率，杜绝了瓦斯超限现象。
4．2 爆破参数的优化
4．2．1 确定合理的最小抵抗线和炮眼深度
(1)裂隙圈半径的确定
炸药在煤体中爆炸时，首先在煤体中产生爆炸
应力波的动作用，尔后，爆炸生成的气体产物以准
静态的形式，对煤体产生破坏和抛移作用。这两种
爆炸作用，对煤体中裂隙圈的形成都有贡献，其大
小与装药方式、煤体的结构及爆破参数等有关系。
严格来说，从理论上计算裂隙圈的精确值是十分困
难的，而且要忽略爆炸冲击波产生的压碎圈和爆生
气体造成的煤体眼壁的移动所造成的扩腔运动。特
别是对于煤体，由于其裂隙十分发育，结构复杂，
理论计算往往和实际情况有差别。因此，在采用理
论计算和工程类比设计的基础上，需要在实际应用
中，根据实际条件逐步进行修正 。
根据爆炸作用的两种不同形式，裂隙圈半径的
计算方法也有以下两种：
按爆炸应力波的作用理论，裂隙圈半径的计算
公式为：
R，一『 (1)
式中R 一裂隙圈半径；r一炮眼半径；S 一煤体
的动抗拉强度；b、a一应力波衰减指数b一 (1一
)，a一2一b：其中 为泊松比：P 一炮眼壁煤体
中的初始压力峰值。
尸z一 1 [爰] · (2)
式中 、D一炸药的密度和爆速；d 、d 一炸药
药卷和炮眼的直径；7"／一炮眼壁压力增大系数，7"／
一8～ 10。
按爆生气体的准静态作用理论，弹性力学中的
厚壁筒理论有以下公式：
RP== (3)
式中P，一作用在炮眼壁上的静压，P，一PI I L口
6 J
1
其中P为炸药的爆压，P一÷p0D 。
(2)Il缶界抵抗值的确定
临界抵抗是装药的内部装药和外部作用的最小
抵抗线的分界值。当最小抵抗大于该值时，只产生
内部作用，否则将产生外部作用。I临界抵抗决定了
松动爆破时装药距自由面的最小距离，由于煤体在
爆破时要有少量的位移，允许产生装药的外部作
用，因此，装药的深度应小于临界抵抗。
按爆炸应力波理论，Il缶界抵抗值可按下式求
得：
w。一『 ]÷． (4) L 0T
j
式中R一反射系数，其余符号同前。
若按爆生气体的准静态理论，I临界抵抗值可按
下式求得：
W c一 (5)
式中 k与煤体结构有关的系数，k一1．4～2．0，
其余符号同前。
根据利文斯顿的一爆破漏斗理论，岩石中的弹
性变形能和破碎能达到饱和状态时的埋置深度称为
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第1O期 胡坤伦等：掩护支架工作面安全爆破技术的试验研究
临界抵抗 ，并有以下关系：
Wc— Eo Q2邝 (6)
式中Q一装药量；E。一形变能系数，需由试验确
定。
从以上分析可以看出：根据不同的爆破机理，
裂隙圈半径和临界抵抗值，有几种不同的计算方
法，而且各种方法的计算结果有一定的差异。由于
煤体本身的性能及结构参数也难以精确确定，以致
计算带来误差，因此，在实际设计应用中，可以取
不同计算方法结果的加权平均值，并和相似工程进
行类比，来确定本项目的应用参数。
(3)炮眼间距和深度的计算
爆破初始条件：煤的密度P 一1380kg／m。，纵
波速度C 一1200m／s，泊松比／1—0．3，抗拉强度
S 一2～5MPa，反射系数R一0．7；采用三级煤矿
许用水胶炸药的密度po：950～1250kg／m。，装药
直径d 一35mm，炮眼直径d 一42mm，爆压P一
2863~4710MPa，单个炮眼装药量330g计算(1
卷)，裂隙圈半径和临界抵抗值的计算结果见表1。
表1 裂隙圈半径和临界抵抗值的计算结果
理论计算表明：煤体中的松动爆破的临界炮眼
间距E 为裂隙圈半径的2倍，即E= 1．12～
3．42m，最小炮眼深度L等于临界抵抗值，L—
1．28～ 3．17m 。
表1炮眼间距和炮眼长度为炮眼装药不产生外
部作用时临界计算数据，实际爆破时煤体应产生适
量的位移，以满足爆破后的体积膨胀要求，也便于
工人进行攉煤工作，实际取值小于理论计算值。
4．2．2 炮眼密集系数的确定
炮眼间距与角度合理与否，直接关系到爆破效
果的好坏，经实地考察，煤层松软破碎或煤壁灰
色，整体易破碎，性较软。根据炸药爆炸作用过
程，爆轰波冲击炮眼壁，煤体在三面夹制作用的条
件下，只能向架内采空区抛起，煤体单元体在冲击
波传播方向上受力，单元体受力获得传播方向运动
的速度开始向外运动，运动结果使单元体在垂直传
播方向上受拉力，之后产生的爆生气体楔入裂缝的
过程中，煤岩中原有的裂缝，可引起引导和阻断作
用，使得爆破后的煤体，能沿着伪斜面总体向下运
动。选择炮眼间距和排距a、b并结合煤质实际状
况，来确定密集系数m。
从试验数据记录和爆堆的情况，排距和炮眼间
距相对固定，作出了随炮眼数变化的架内空断面高
度的关系图，如图1、图2所示。通过试验数据处
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。
图1 2m宽掩护支架炮眼数和炮后掩护
支架内空断面的高度关系
llae number of bla sting holes／n
图2 2．4m 宽掩护支架炮眼数和炮后掩护支架
内空断面的高度关系
4．3 炮眼布置
根据上述爆破参数的计算结果，结合工作的煤
层结构和支护情况，炮眼在伪斜工作面的布置形式
如图3所示。
5 应用效果
5．1 效果
通过对掩护支架炮采工作面爆破作业环境的分
析，结合试验工作面的具体情况，对爆破参数的优
化和爆破工艺的改进，解决了因爆破参数不合理和
爆破工艺不当，引起煤体过度破碎和抛掷问题，爆
落的煤炭堆积合理，不会堵塞支架，确保通风畅
通，保证了生产的安全。
5．2 结论
(1)炮眼角度与伪斜面成8O。左右，考虑到掩
护支架条件下，架内空间有限，对w 进行修正，
结合煤体结构和支架宽度相关的系数，炮眼深度L
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82 中国矿业 第15卷
A—A剖面
B
图3 工作面炮眼布置
= (O．75～O．80)W ，该值可满足在支架内操作
的需要，又能保证爆破效果。
(2)试验结合一次炮眼数与爆破后架内空断面
高度，优化选取眼距0．75～1．1m，排距0．55～
0．70m，所以炮眼密集度以1．07~2m较为合理。
(3)在多组爆破时，应尽可能使用1至5段
毫秒延期雷管按顺序起爆，这样使煤炭沿伪斜方向
位移，减轻对顶底板的振动，减缓支架下落速度，
避免支架堵塞和瓦斯超限，保证安全生产。
5．3 建议
(1)根据煤层及顶底板条件，及时调整爆破参
数，优化爆破设计。在现场的实际推广应用中，必
须根据条件的变化，调整和优化爆破参数，并严格
按照设计的参数执行。
(2)加强管理和监测，确保新技术贯彻执行；
加强技术培训，提高全体工人的技术水平和责任
心，特别是加强班组长和技术员的责任心，提高技
术水平，在现场应用中，及时合理地调整爆破参
数，以达到安全高效的目的。 ／
参考文献
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E23 汪永印，郁钟铭． 伪倾斜柔性掩护支架采煤工作面管理信息
系统分析EJ]．西部探矿工程，2003 (12)．
E33 杭美华，孔德慧． 伪倾斜柔性掩护支架工作面支架受力分析
与支护要求EJ]．煤矿开采，2001(12)，增刊．
E43 李俊斌．大倾角煤层单腿支撑式柔性掩护支架采煤法I-J]．
煤矿工程，2004(1)：45—48．
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程，2004 (5)．
E63 王文龙．钻眼爆破EM-J．北京：煤炭工业出版社，1989，10．
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作面的应用rI]． 煤，2000 (4)：19—21．
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