空气柱间隔装药结构在夹矸煤层开采中的应用研究

空气柱间隔装药结构在夹矸煤层开采中的应用研究

闻全1，杨立云2，王晓刚2

1中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京（100083）

2中国铁道科学研究院，北京（100081）

摘 要：本文运用爆炸力学理论和弹性波波导理论，分析研究了空气柱间隔装药的爆破机理及空气柱在爆破中的作用效果；并以良庄矿为主要试验基地，结合该矿煤层中夹有不规则煤矸石的地质特点以及现场出现的爆破效率不高等技术问题，从提高循环进尺、减少抛掷量和降低炸药单耗等方面考虑分析，运用研究成果指导现场的爆破作业，对其工作面的爆破参数进行了科学的分析研究，通过调整药包轴向方向、炮眼间距和装药结构等爆破参数，最终取得了良好的爆破效果，到达了增产提效，实现了薄煤层高产的目的。

关键词：夹矸煤层；爆破参数；空气柱间隔装药；二次应力波

中图分类号：TD235.371

1. 概述

夹矸煤层是煤矿开采中经常遇到的。该类煤层开采为保证煤质，在过程中往往采用分次开采，即先把夹矸开采出去，再采煤层，或者进行分层开采，这样的话，费时费力，工作效率低下；而在薄煤层夹矸中，如采用一次开采则由于两种不同介质情况下，爆破效果差，且煤质也没有办法保证。

空气柱间隔装药是在炮孔底壁与炸药之间留设一段空气柱的装药结构形式，与之相对应的是连续装药结构。其作用机理是：爆轰波在向外传播时首先与空气接触，空气柱受到强冲击扰动，形成具有陡峭波头的空气冲击波，在未扰动的空气中传播；当此空气冲击波传播到另一介质表面时，其中入射波前的气体质点速度立刻变为零，同时空气所具有的动能立刻转化为准静态能并储存在被压缩的空气中，空气柱此时实际上起到了缓冲的作用；由于爆轰波冲击动能被空气柱缓冲吸收，因此炮孔壁受到的冲击压力峰值也明显降低；随着爆破冲击压力的作用，被压缩的空气柱气体开始释放储存的能量，且由于大量爆生气体的产生，使得孔壁承受较长时间的准静态压力作用，延长了作用时间【1-2】。本文正是从薄煤层炮采采用空气间隔装药结构进行了探索，以期获得较好的爆破效果。

2. 空气柱间隔的作用机理

2.1 降低了炮眼壁上的冲击应力峰值

空气柱间隔装药起爆时的初始径向冲击应力峰值可用下式计算【3】、【4】：

⎪⎪⎪⎩

⎪⎪⎪⎨⎧⋅⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅+⋅=不耦合装药结构耦合装药结构n d d D C D D P b c p m 6211811121ρρρ （1）

空气柱间隔装药可假设为爆炸性质不变、密度均匀分布（包括空气柱在内）的连续装药结构形式。按这种假设，空气柱间隔装药的折算密度应为：

a

c c l l l +⋅=0ρρ （2） 式中P max 为爆轰脉冲应力峰值,Pa ；D 为炸药爆速,m/s ；ρ为炸药的折算密度,kg/m 3；0ρ为炸药的装药密度，kg/m 3；p1C 1ρ为介质的波阻抗，s kg/m 2⋅；c

d 为药包直径，m ；b d 为炮

眼直径，m ；n 为气体与炮眼壁碰撞时压力增大的系数，=n 8～11；c l 为炸药长度，m ；a l 为空气柱长度，m 。

比较空气柱间隔装药结构（A l a =）和无空气柱间隔装药结构（0=a l ），计算得：0max max ==

2.2 增加了二次应力波的作用效应

空气柱间隔装药结构爆炸后，会在介质中产生冲击应力波，当空气冲击波遇到炮孔底壁时，在壁面处空气质点的速度骤然变为零，使质点急剧堆积，压力和密度骤然升高，达到一定程度时，就要向相反方向反射，于是就形成了反射冲击波，这就是二次应力波效应。

假定炮孔底壁为刚壁，空气柱中的气体为理想气体，则可以认为冲击波在空气柱中是定长传播，入射波前未扰动空气的参数为0P 、0ρ、0v ，入射波阵面后的参数为1P 、1ρ、1v ，反射冲击波阵面上的参数为2P 、2ρ、2v ，其中1v ＝2v ＝0。如图1所示。

可见，空气柱间隔可以延长爆炸应力波在介质中的作用时间，使爆炸能得以充分利用。2.4 增大了应力波传给介质的冲量

空气柱间隔装药起爆时，爆炸应力波对介质的冲量增大了，而且此冲量沿炮眼分布较均匀，这是由于以上三点共同作用的结果。图3是连续装药结构和空气柱间隔装药起爆时，爆炸应力波对介质的比冲量沿炮眼全长的分布情况【3】（均为端部单点起爆），图中的横坐标

由图3中曲线1可知，在连续装药结构中，起爆点比炮眼远端的比冲量高。由于其比冲量分布不均，导致爆破后块度分布不均并使大块率增大；由曲线2可知，采用空气柱间隔装药时，起爆点处的比冲量减小，但远端比冲量增大，使得比冲量沿炮眼全长分布趋于均匀，所以可以改善块度分布质量，减小大块率。

3. 现场试验

3.1 工程概况

新汶矿区良庄矿11310工作面，十三层煤赋存条件较为复杂，煤层中间夹带厚度不等的煤矸石，某些地方还混杂有较为坚硬的卵石。煤与煤矸石的物理力学参数见表1。

表1 煤与煤矸石的物理力学参数

Tab.1 Coal and coal gangue’s physical and mechanical parameters

容重密度ρ(kg/m 3) 抗压强度（MPa ）抗拉强度（MPa ）弹性模量E(MPa) 泊松比µ 内摩擦角(°) 粘聚强度c(MPa) P 波传播速度(m/s) 煤

1470 11.3 2 2800 0.30 17 1.6 1380 矸石 2600 63.7 5 12000 0.25 32 12 2150

该矿原爆破方案的效果为平均循环进尺在0.8m 左右，爆后残眼率高达39%，而且炸药

单耗相对较高（1.288kg/m 3）

，支柱冲倒率为36%，煤向着老塘方向抛掷量过大，这样增加了工人劳动强度，费料、费工、费时，更谈不上高效生产了。为了能达到增产提效，实现薄煤层高产的目的，该回采面急需解决的主要问题有：提高循环进尺；控制抛掷量；降低炸药单耗等。

3.2 试验方案

3.2.1 条形药包轴线方向的调整

降低最小抵抗线，可以降低单耗，使得爆破参数更加合理。改变炮孔角度可以减小最小

抵抗线。经过多次试验研究，将原炮孔与煤壁的水平夹角由85o 改为95o （如图4）

，也就是