高效无声破碎剂在柔性掩护支架采煤工作面的使用

李慧新

新疆安能爆破工程有限公司 新疆乌鲁木齐市 830000

摘要：受地区环境的影响，煤矿火工品供给时常存在不连续，迫使煤矿停产停工，给煤矿的安全生产带来较大的不利，严重影响煤矿产量的提升。分析苏杭河煤矿为代表的此类煤层采用无声爆破法的可行性；结合该矿实际特点探讨使用高效无声破碎剂在柔性掩护支架回采工作面上如何落煤，为此类煤矿的落煤工艺提供了一条新思路。

关键词：高效无声破碎剂；柔性掩护支架；回采工作面；新疆

一、前言

受地区环境的影响，煤矿火工品供给时常存在间断，直接导致煤矿回采工作不连续，间隔停产时间较长，给煤矿的安全生产带来较大的不利，严重影响煤矿产量的提升。为解决这一困境，使得煤矿生产工作持续、稳定，煤矿积极出动，寻找一种无火工品的情况下采用其它落煤的方式进行回采。结合苏杭河煤矿可采煤层的实际情况，采用高效无声破碎剂破碎煤体利用人工风镐配合的方法进行落煤。

二、地质概述

苏杭河煤矿井田构造总体为一向南南西陡倾的单斜构造，地层走向南东东100-120°之间，倾向平均202°，变化不大；岩层倾角在55～68°之间，自西向东逐渐变陡，规律明显，井田构造复杂程度为中等构造类型（Ⅱ类）。

井田内共有可采煤层共5层，自上而下分别为Ⅳ1、Ⅳ7、Ⅳ11、Ⅳ13、Ⅳ14煤层。平均可采纯煤总厚10.72m，煤层平均可采单层厚0.75-3.56m，可采含煤系数为7.72％。煤层为急倾斜煤层，倾角55～68°，平均61°，煤类主要为焦煤（24、25JM），煤质具有低水分、高粘结性，硬度中等，性脆、易碎， 高热值。

可采煤层特征表

煤层编号	煤层厚度	夹矸 层数	煤层厚度变异系数	煤层结构类型	煤层可采性及稳定性
	最小-最大
Ⅳ1	1.38～2.67 1.98	1～2	8%	简单	全区可采稳定煤层
Ⅳ7	0.71～1.05 0.91	0～1	5%	简单	局部可采较稳定煤层
Ⅳ11	0.84～2.31 1.58	0	11%	较简单	全区大部可采较稳定煤层
Ⅳ13	1.46～3.76 2.64	0	7%	简单	全区可采稳定煤层
Ⅳ14	1.23～2.77 2.12	0	4%	简单	全区可采较稳定煤层

三、应用实例

1、采煤工作面概述

本次试验煤层为Ⅳ₁₁煤层，该煤层结构简单，自西向东平均煤厚为1.58m，厚度变化不明显，无夹矸,但深部灰份含量增高，硬度系数F=2～4。经现场实际测量现阶段（+2100m—+2150m）该煤层平均厚度为1.8m。工作面阶段高度（斜高）为55m，长度为98m。

2、高效无声破碎剂介绍

高效无声破碎剂,是一种具有高膨胀性能的粉状无机材料 (英文名：High Rang Soundless Cracking Agent,简称 HSCA )，是一种不用炸药就能使岩石或混凝土破裂的粉状工程施工材料。

1）使用条件

静裂剂一般是经过回转窑高温煅烧，成品以氧化钙为主体，外加适量含有钼、镁、钙、钛等元素的无机盐等外加剂共同粉磨制成。一般宜在-5℃—35℃范围内使用，超出此温度范围，应采取辅助措施。

2）作用原理

使用简单、方便，用适量水（0.3:1）调成流动状浆体，直接灌入钻孔中，经水化反应，使晶体变形，随时间的增长产生巨大膨胀压力（径向压应力和环向拉应力），通常静态破碎剂的膨胀压力可达 30—50Mpa 。

3）设计孔眼布置

应参考欲爆体的硬度、强度等性能指标，合理设计孔眼实际布置，确定孔距排距的大小。一般情况下，被爆破体的硬度越大、强度越高，孔距与排距越小，反之则大。

常用静态破碎剂布孔设计参数

岩石硬度	F=4	F=6	F=8	F=12
孔距（cm）	50	40	30	20
排距（cm）	80	50	40	30
用量（kg/m3）	5～12	8～10	10～15	12～15

3、采煤工作面眼孔布置及作业流程

沿采煤工作面走向与水平面夹角为4°进行眼孔布置，眼孔长度为2.0m，间排距为400mm×400mm（沿工作面坡度900mm布置）顶底板预留护顶煤0.3m，眼孔Φ42mm。

打眼、吹眼后，先在眼内灌入无声破碎剂，然后用黄泥巴进行封眼，等待4-7小时后，煤层受无声破碎剂的膨胀破坏，产生裂隙，松动后再利用风镐人工落煤、调支架、打点柱。

四、经济可行性分析

1、采煤工作面使用火工品爆破落煤费用计算：

工作面坡度以28°—30°（抬炮）从下而上推进，使用2.5m长钻杆，每轮炮布置三个眼孔，工作面平均长度102m，共布置炮眼123个，每个炮眼装乳化炸药8节（2㎏），雷管1枚，一个循环共计乳化炸药246㎏，雷管123个（不计损耗量）。

Qd=L×M×H×V×K=3.39*49.65*1.8*1.4*0.9=381.74T

式中: Qd—单循环产量；381.74T/循环；

L—单循环推进度；3.39米/循环；

M—煤层平均厚度；1.8米；

H—工作面斜高；49.65米；

V—容重；1.4吨/m³；

K—回采率;0.9；

吨煤炸材成本：

（246*12.56）+（123*3.21）/381.74=9.13元 /吨

雷管—3.21元/枚；

炸药—12.56元/㎏；

2、采煤工作面使用无声破碎落煤费用计算：

沿采煤工作面走向与水平面夹角为4°进行眼孔布置，工作面从下而上推进，使用2.0m长钻杆，每循环共布置眼孔452个，每个眼孔注无声破碎剂3.2㎏，一个循环注入无声破碎剂共计1446.4㎏。

Qd=L×M×H×V×K=1.9*49.65*1.8*1.4*0.9=213.95T

式中: Qd—单循环产量；213.95T/循环；

L—单循环推进度；1.9米/循环；

M—煤层平均厚度；1.8米；

H—工作面斜高；49.65米；

V—容重；1.4吨/m³；

K—回采率;0.9；

吨煤无声破碎剂成本：

1446.4㎏*4100元/213.95吨=27.71元/ 吨。

无声破碎剂—4100元/吨（不包含运费）。

3、经济分析

经现场试用每生产一吨原煤利用火工品落煤费用为9.13元，利用无声破碎剂落煤费用为27.71元,增加吨煤的直接成本为18.58元。

四、安全技术可行性分析

1、技术方面分析

优点：在静态爆破法施工过程中，破碎剂用水拌合后灌入炮孔即可，无须堵塞；不需专业工种，操作方便，工作效率、经济性好，且只有在一定的化学条件下才会发生预定的化学反应实现爆破目的，在购买、运输、保管、使用中，不受较多限制。

缺点：与传统爆破剂炸药相比，静态迫碎剂能量不如炸药大，施工中破碎效果受气温及施工人员经验影响较大，且成本高；破碎剂对眼孔的孔径要求较高，孔径过小（φ32mm）不易反应，孔径过大（φ50mm）易冲孔，且反应不够充分。

2、安全方面分析

优点：与传统的爆破工艺施工相比，炸药爆破时会产生强烈的震动、空气冲击波、飞石、噪音、有毒气体和粉尘等危害，而静态爆破法施工中不会产生上述危害，同时也无需设爆破警戒。

缺点：拌料工作在井下密闭空间人工作业，受井下风速影响产生扬尘，破碎剂主要成分为化学剂且为粉末状，对作业人员危害较大；破碎时无震动、冲击波，对回采面围岩破坏较小，随着工作面的推进，采空区顶板初次来压时间拉长，甚至出现大面积悬顶的情况，给安全回采工作带来较大压力。

五、结论及建议

通过使用无声破碎在回采工作面不会产生震动、空气冲击波、飞石、噪音、有毒气体和粉尘等危害，确保了施工安全和产量，取得了较好的成效，但使用破碎剂落煤成本较高（吨煤成本接近火工品的3倍），破碎剂产生的能量相比火工品较小，根据该矿煤种的实际情况，但在特殊环境下为保证煤矿生产工作持续、稳定，采用破碎剂落煤是比较经济可行的。在回采过程中应根据各煤层的实际情况，及时调整技术参数，确保回采工作安全、经济。

参考文献：

【1】徐永，《煤矿开采学》第八章急倾斜煤层采煤法，中国矿业大学出版社，2009。

【2】北京宇翼特种水泥厂，高效无声破碎剂（HSCA）使用说明书，北京市玻璃河水泥厂，2016。