堅硬頂板超前預裂爆破技術(shù)在沿空留巷中的應用

劉書梁

(邯鄲市孫莊采礦有限公司，河北邯鄲056200)

1 堅硬頂板超前預裂爆破技術(shù)簡介

采用雙向聚能拉張成型爆破對堅硬頂板采用超前預裂技術(shù)，當回采工作面推過后，采空區(qū)頂板沿留巷側(cè)能夠充分垮落，這就大大縮短了沿空巷道上覆的堅硬頂板在采空區(qū)側(cè)的懸臂長度，從而減小了采動引起的集中應力。通過改變巷道圍巖受力狀況使圍巖易于維護，只采用巷內(nèi)支護形式，取消巷旁充填，即可保證沿空留巷的支護成功。

堅硬頂板超前預裂聚能拉伸成型爆破是一種新的控制爆破技術(shù)，是在常規(guī)爆破基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。不同的是要將炸藥放入在2個設(shè)定方向 (本試驗為180°)能有聚能效應的聚能裝置內(nèi)，炸藥起爆后，在非設(shè)定方向上爆破孔圍巖均勻受壓，在設(shè)定方向上集中爆破孔圍巖集中受拉，能夠按照設(shè)定的方向產(chǎn)生定向爆破，從而形成較為光滑的定向爆破裂隙面，實現(xiàn)精確的聚能控制爆破。

2 雙向爆破聚能模型及力學過程分析

雙向聚能裝置有2個重要力學作用:

(1)非設(shè)定方向上，爆破孔圍巖整體將均勻受壓。

(2)在設(shè)定方向上爆破孔圍巖處于受拉狀態(tài)。

雙向聚能爆破原理如圖1中XOZ平面聚能拉張模型所示，爆破孔之間巖體受拉力作用。拉應力處于垂直預裂隙發(fā)育方向，正是充分利用了巖石“抗壓不抗拉”的特性，導致巖石沿設(shè)定方向進一步拉裂。幾個聯(lián)孔同時起爆時，在爆破孔之間靜應力場產(chǎn)生疊加作用，爆破孔間的拉張應力作用更為強烈。當找到合適的孔間距時，相鄰的孔之間就會產(chǎn)生較大裂隙，連成一條裂縫。

圖1 雙向聚能爆破原理

要形成貫通裂縫，必須滿足下列2個條件:

(1)要確保爆破孔延伸方向上孔壁開裂，必須要求作用于孔壁巖石上的初始拉應力大于巖石的抗拉強度。滿足該條件的軸向不耦合系數(shù)為:

式中，Kl為軸向不耦合系數(shù)，Kl=Lb/Lc，Lb，Lc分別為炮眼長度和裝藥長度;Kd為徑向不耦合系數(shù)，Kd=db/dc，db，dc分別為炮眼直徑和裝藥直徑; Po為爆生氣體的初始平均壓力;Pk為臨界壓力;一般Pk=200MPa;β為壓力增大系數(shù).取β=8～10; λ為側(cè)壓系數(shù)?？扇ˇ?μ/(1－μ)，μ是巖石泊松比;Kθ為拉應力增大系數(shù);一般近似取Kθ=2;Rt為巖石的單軸抗拉強度;r為凝聚炸藥絕熱指數(shù)，一般r=1.2～1.3;k為等熵指數(shù)，一般k=3。

(2)為保證孔壁巖石不發(fā)生壓縮性破壞，就必須要求作用于孔壁巖石上的初始徑向應力峰值低于巖石的抗壓強度。滿足該條件的軸向不耦合系數(shù)Kl為:

3 聚能爆破

聚能管結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圓管兩側(cè)采用切縫或打圓孔形成導向帶，切縫寬度一般選擇3～5mm，打圓孔直徑為3～5mm。在聚能管內(nèi)連續(xù)裝入炸藥卷，做成聚能藥包，如圖3所示。由于預裂深度達4.0～4.5m，聚能藥包分成3段，長度分別為1.35m，1.5m和1.15m，聚能爆破裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 聚能管結(jié)構(gòu)

圖3 聚能藥包結(jié)構(gòu)

圖4 聚能爆破裝藥結(jié)構(gòu)

4 聚能爆破參數(shù)的確定

4.1 炮眼間距

由于爆炸應力波［2］的作用，孔壁能夠產(chǎn)生裂紋的條件為:

式中，σθ為作用于巖石上的最小主應力;σ3為切向拉應力。

這樣就確定出有關(guān)孔邊裂紋的初始裂紋長度為

式中，σr0為初始應力峰值;α為應力波衰減系數(shù)，α =(2－μ)/(1－μ);μ為巖石泊松比。

從式(4)可以得出這樣的結(jié)論:孔邊初始裂紋長度α與炮孔半徑rb、初始應力峰值σr0成正比關(guān)系，則σr0和rb越大，a就越大。

裂隙在不斷的擴展過程中，裂隙尖端的應力強度因子為

式中，Pb為爆生氣體充滿炮眼時的靜壓，Pb= (Pc/Pk)r/n(rc/rb)2rPk;Pc=ρ0D2/8;ρ0為裝藥密度，kg/m3;D為炸藥爆速，m/s;Pk=200MPa; b為裂紋最終擴展長度。

隨著裂紋的向外擴展過程中，裂紋尖端的應力強度因子將會逐步變小，變小到一定程度時，裂紋將會終止。裂紋最終擴展長度b由 (5)式及下式確定:

式中，KIC為巖石斷裂韌度，MPa/cm3/2。野青灰?guī)r巖石斷裂韌度KIC=1.40～1.45 MPa/cm3/2。

4.2 炮孔裝藥量

當徑向和軸向不耦合系數(shù)確定后，裝藥集中度及單孔裝藥量［3］也就確定了。

式中，ql為裝藥集中度;db，dc分別為裝藥直徑和炮孔直徑。

為保證有效保護頂板，還應保證炮孔利用率，藥量根據(jù)上述公式及參照巖性f=8～10，確定為1200～2250g/孔。藥量可根據(jù)爆破效果進行適當調(diào)整。通過選擇合適的徑向不耦合系數(shù)和軸向不耦合系數(shù)及裝藥密度，來達到良好的爆破效果。

5 實施效果

孫莊采礦公司野青灰?guī)r為堅硬頂板，根據(jù)巖石斷裂韌度采用3號巖石乳化巖石炸藥，可得b= 24rb，則炮孔間距E=2b=960mm。為確保完全斷裂，炮眼之間完全貫通，保留合適的安全系數(shù)，則炮孔間距設(shè)為900mm。

根據(jù)孫莊采礦公司12465地區(qū)頂板結(jié)構(gòu)，爆破孔深度確定為3.5～4.5m。為保證爆破孔質(zhì)量，應平直齊，靠近工作面?zhèn)?00mm布置成一條直線，爆破孔的孔位和角度嚴格按設(shè)計要求布置。

具體實施方案為:炮孔深3.5m，間距900mm，采用φ27mm的3號巖石乳化炸藥，單孔裝3個聚能藥包，裝藥量1200～2250g，如圖5所示。

圖5 沿空留巷聚能爆破炮孔布置

現(xiàn)場施工表明，堅硬頂板超前預裂爆破技術(shù)應用于沿空留巷中，能夠較好地使預留巷道的堅硬頂板形成切縫，預裂的采空區(qū)側(cè)頂板及時規(guī)則冒落，巷道頂板完整保留，礦壓顯現(xiàn)不明顯，如圖6和圖7所示，從而達到切頂卸壓的目的。留巷只采用錨網(wǎng)索及單體液壓支架支護形式加固，就保證了巷道的穩(wěn)定性，為原煤生產(chǎn)實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供了很好的基礎(chǔ)。

圖6 堅硬頂板沿超前預裂爆破切縫斷裂斷口照片

圖7 切頂留巷效果

6 結(jié)論

(1)由于巖石具有非均質(zhì)性和各向異性，因圍巖條件的不同，根據(jù)聚能爆破的不同理論計算爆破孔間距及爆破孔裝藥量。且爆破孔間距的大小與炸藥性能和巖石性質(zhì)有關(guān)。

(2)應充分考慮裝藥不耦合系數(shù)、裝藥集中度與其他參數(shù)之間的相互關(guān)系來選擇爆破參數(shù)。只有各參數(shù)都在某一個合適的范圍值內(nèi)，聚能爆破效果才最理想。

(3)在無巷旁充填的條件下，留巷采用錨網(wǎng)索及單體支架支護形式加固，保證了巷道的穩(wěn)定性。不僅提高了煤炭采出率，并且與傳統(tǒng)的巷旁充填沿空留巷技術(shù)相比較，大幅度降低了巷道支護成本。

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