阳煤一矿81303工作面深孔预裂爆破过地质构造带技术试验方案天地科技股份有限公司编制人：潘黎明2018年4月1试验背景与意义地质构造严重影响工作面正常生产，其主要表现为以下几个方面：（1）影响工作面产量和推进速度。

阳煤集团现有浅孔爆破方法一次处理的进尺小，不能与工作面生产平行作业，影响工作面的推进速度。

（2）增加了工作面安全生产隐患。

由于部分陷落柱或者断层褶曲岩石硬度较大，如采煤机进行强性截割，容易产生大量的火化，引爆工作面的瓦斯。

（3）增加了工作设备的损害。

对于坚硬岩层，对采煤机、破碎机、大溜等机电设备损害较大。

因此，为了实现构造区煤矿安全高产高效回采，需要研究切实可行的快速、硬过冲刷带方法。

281303工作面超深孔预裂爆破试验方案2.1试验工作面地质构造分布81303工作面采掘工程平面图如图1所示。

拟处理陷落柱为X6陷落柱，位于工作面中部靠近回风巷侧。

图1 81303工作面试验地质构造分布图81303工作面拟试验陷落柱分布情况如图2所示，陷落柱距离回风巷最近距离0m，最远距离17.5m，陷落柱尺寸为“倾向42.3m×走向52.3m”，陷落柱距离切眼264m~316m。

拟弱化区域为距离切眼283m~303m的20m区域范围内的陷落柱，弱化区域的前后区域均采用浅孔爆破方法通过，进而可以对比验证深孔爆破弱化效果。

弱化区域距回风切眼264m图2 81303工作面试验陷落柱分布图表1 巷道断面形状及规格表2.2 深孔预裂爆破试验方案2.2.1 钻孔本次爆破试验钻孔深度最深为17.5m，钻孔难度不大，但有必要对深孔及超深孔钻孔问题进行一些基本的介绍。

（一）深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、钻孔防跑偏装置井下打钻过程中钻头所需推力由钻机推进系统提供，钻杆处两端受压状态，如图2所示。

图2 钻机钻进过程中“跑偏”示意图由于排屑的需要，钻杆的直径小于钻头的直径，即孔壁与钻杆外壁之间存在一个排屑间隙，而钻进过程中钻头与钻杆整个钻具处于两端受压状态，造成钻杆有一个微量的弯曲，进而引起钻孔的“跑偏”。

为了解决这一问题，在钻头的后方加装一个定向装置，如图3~图5所示。

定向装置有三部分组成：外筒、内管和辐射状支撑筋，其中内管直径和钻杆直径相同，用于和钻杆相连；外筒直径比钻孔直径略小，这样可以保证钻头后方的钻杆不会产生弯曲，进而防止钻进过程中的“跑偏”；外筒和内管之间以辐射状的支撑筋连接，支撑筋间留有空隙，用于排渣。

图3 钻杆加装定向装置图4 定向装置剖面图图5 定向装置实物图（二）钻孔设备工作面爆破打孔采用山东祥德机电有限公司ZDY4200L煤矿用履带式全液压坑道钻机，属于自行式、低转速、大转矩类型，适于采用复合片钻头施工深度约500m的大直径钻孔。

钻机特点：ZDY4200L型钻机及配套钻杆、钻头分别如图6，设备技术参数如表2。

炮孔孔径为Φ75mm，钻杆直径为Φ63mm，每根钻杆长度为1.5m。

本次爆破采用较大的钻杆，对于钻孔防跑偏具有重要意义。

采用PDC内凹三翼加强型钻头，钻头直径为Φ75mm，在硬度系数80~100MPa的复杂岩层中钻进适应力强，具有较好的稳定性，排屑利，进尺迅猛，是完成一般钻孔的首选工具。

可用于钻进瓦斯抽放孔、探放水孔、注浆孔、有色金属和水文地质勘探孔，及石油、天然气孔的钻进。

（a）ZDY4200L钻机（b）ZDY4200L钻机配套钻杆（c）配套钻杆钻头图6 ZDY4200L钻机及配套钻具表2 山东祥德ZDY4200L钻机技术参数（三）钻孔设计爆破打孔采用履带钻机施工，挪移固定方便，钻机扭矩4200，巷道内能摆放、退钻杆空间足够。

根据炮孔设计参数进行打孔，孔径为Φ75mm。

采用三翼金刚钻头打孔，钻头直径为Φ75mm，钻杆直径为Φ63mm，每根钻杆长度为1.5m。

钻头与钻杆之间的间隙较小，可减少钻杆摆动的幅度，利于成孔效果，且能够满足排渣需要。

本次深孔爆破孔原设计为五花眼布置，由于本钻机施工高度为1.2~1.6m，故改用三花眼布置方式，上排眼高度为1.6m，下排眼高度为1.2m见图7。

钻孔参数及施工要求见表3。

图7 钻孔设计图（3）施工要求2.2.2装药（一）装药被筒设计必须采用炸药被筒装药。

装药前要先将炸药装进被筒，制成被筒炸药，并保证合理装药密度。

装药时要将每节被筒炸药逐一可靠连接，推送到设计的装药位置。

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爆破壳体结构。

该壳体结构为PVC管材质，其外径为50mm、内径2mm；有效装药长度为2000mm，并且各壳体之间可以通过专用接头连接。

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。

（二）装药量确定根据深孔预裂爆破的装药特点，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1.5kg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。

根据煤炭行业标准规定，多孔同时起爆时，各孔药量总和不超过500kg。

考虑到本次试验性质，初步定为工作面一次起爆1个钻孔，为了保证安全，一次爆破总药量不大于150kg为好，爆破图表如图8、表4。

后续试验成熟后，一次性起爆孔数量可以适度增大，一次起爆药量不超过200kg，起爆孔数不超过6个孔。

图8 超深孔预裂爆破设计方案俯视及正视图（三）装药工艺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、装药前探孔装药前必须用PVC管先探孔，PVC管直径为50mm，如果PVC管能够顺利全部深入全长孔内，则炸药方可顺利装入。

探孔时，第一节PVC管采用用铁丝绑紧，推进靠后续PVC管顶住前面PVC管一节一节进入，退出时依靠拉铁丝全部退出。

探孔时如果遇到卡阻现象，说明孔内有打钻残渣、将高压水管接到炮棍上、使用高压水进行冲洗炮孔，然后再装药。

2、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，可将PVC管加工成2m/节，加工时先将药包壳体清理干净，再将直径35mm的乳化炸药药卷装入已准备好的壳体内。

可在现场进行装药，边装药边推进药包。

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。