復(fù)合灰?guī)r頂板閉合爆破切頂技術(shù)研究

武善元，時(shí)啟鵬，李廷春，云 明，趙仁樂

(1.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 臨沂 276017；2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

復(fù)合灰?guī)r頂板屬于極堅(jiān)硬頂板，具有較高的強(qiáng)度和完整性，不易發(fā)生斷裂。工作面推采后，往往在采空區(qū)一側(cè)形成大跨度懸臂梁結(jié)構(gòu)，突然垮落易引起大面積來壓、形成颶風(fēng)沖擊；產(chǎn)生的高附加應(yīng)力對(duì)巷道的穩(wěn)定性造成長(zhǎng)時(shí)影響，易導(dǎo)致留巷頂板巖層錯(cuò)動(dòng)、巷道變形。

針對(duì)堅(jiān)硬頂板難垮落問題，目前主要采用注水弱化和爆破弱化兩種手段[1-4]。黃炳香等[5]采用注水弱化頂板方法，提出水壓致裂控制理論并控制水壓主裂縫擴(kuò)展方向，使頂板及時(shí)充分冒落；吳擁政[6]理論分析了留巷定向水力壓裂卸壓機(jī)理，開展定向水力壓裂裂紋擴(kuò)展方向研究，取得了較好的弱化堅(jiān)硬頂板的效果；高魁等[7]采用深孔爆破切頂卸壓技術(shù)釋放頂板壓力，使厚層頂板順利垮落；王拓等[8]采用超前深孔預(yù)裂爆破技術(shù)弱化堅(jiān)硬頂板，設(shè)計(jì)合理的爆破參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)堅(jiān)硬頂板的有效控制。

借鑒上述研究成果，邱集煤礦采用深孔爆破弱化1102工作面復(fù)合灰?guī)r頂板，推采后，采空區(qū)大跨度懸頂問題沒有得到很好的解決。由于懸頂產(chǎn)生的強(qiáng)烈動(dòng)荷載，綜采支架嚴(yán)重超載，巷道變形嚴(yán)重。通過分析鉆孔窺視圖像、礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，經(jīng)專家論證，發(fā)現(xiàn)懸頂原因主要有3個(gè)方面。首先是復(fù)合灰?guī)r頂板整體性好、巖性均勻、強(qiáng)度大，在兩側(cè)順槽切頂不能徹底解決長(zhǎng)距離懸頂問題；其次是四灰和五灰中間夾有厚度較小的泥巖，切頂和爆破參數(shù)設(shè)計(jì)未重視泥巖夾層的存在；再次是裝藥和封堵沒有考慮四灰、五灰和泥巖的厚度狀況，封堵長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不合理，且未采取四灰和五灰厚度內(nèi)的加強(qiáng)裝藥。因此，結(jié)合工作面工程現(xiàn)狀，分析計(jì)算采空區(qū)合理懸頂長(zhǎng)度，提出深孔爆破閉合切頂技術(shù)，并針對(duì)性設(shè)計(jì)爆破切頂參數(shù)，定距切割采空區(qū)頂板形成閉合切縫面，促使采空區(qū)頂板隨推采及時(shí)垮落，降低垮落步距，保障巷道穩(wěn)定和采煤工作安全高效進(jìn)行。

1 工程概況

邱集煤礦位于山東省德州市齊河縣馬集鎮(zhèn)境內(nèi)，礦區(qū)地勢(shì)平坦，地面高程+29～+31m，所開采煤層為11煤，地面標(biāo)高為-450～-240m。

邱集煤礦1102工作面為11煤首采區(qū)試采工作面，采用傾斜長(zhǎng)壁一次采全高采煤法。工作面煤層厚度為1.50～2.45m，平均煤厚2.02m，走向長(zhǎng)度52m，傾向長(zhǎng)度173m，煤層走向近東西，傾向北，傾角3°～8°，煤層平均傾角4°，煤層賦存比較穩(wěn)定。煤層頂板為致密堅(jiān)硬的復(fù)合灰?guī)r頂板，中間夾有厚度較小的泥巖，底板為泥巖和粉砂巖。煤層及頂?shù)装鍘r性柱狀如圖1所示。

圖1 煤層及頂?shù)装鍘r性柱狀

2 采空區(qū)頂板垮落步距分析和懸頂長(zhǎng)度計(jì)算

2.1 垮落步距計(jì)算

復(fù)合灰?guī)r頂板具有較好的強(qiáng)度和完整性，可以看作連續(xù)介質(zhì)頂板進(jìn)行荷載計(jì)算，未切頂前的采空區(qū)頂板可以看作四周固支巖梁模型進(jìn)行分析[9]。

在計(jì)算垮落步距之前，基于巖梁模型計(jì)算復(fù)合頂板上覆均勻荷載。由巖梁的經(jīng)典覆巖荷載計(jì)算理論[10]，n層荷載對(duì)第1層的影響可按式(1)計(jì)算：

式中，(qn)1為考慮第1層巖層上方n層巖層時(shí)，對(duì)第i層巖層的荷載，kPa；Ei為各巖層的彈性模量，GPa；hi為各巖層厚度，m；γi為各層巖層容重，N/m3。

頂板本身自重荷載為：

q1=γ1h1=52.86kPa

第2層對(duì)第1層的荷載作用為：

第3層對(duì)第1層的荷載作用為：

由于(q3)1<(q2)1，故頂板上覆荷載q=74.35kPa。

最大彎矩發(fā)生在巖梁的兩端，即：

式中，q為頂板上覆荷載，MPa；L0為極限垮距，m。

梁端的最大拉應(yīng)力為：

式中，W為巖梁截面模量，W=h2/6，m2。

當(dāng)梁端拉應(yīng)力達(dá)到其極限抗拉強(qiáng)度，頂板發(fā)生斷裂破壞，從而計(jì)算出頂板初次垮落步距：

根據(jù)式(4)計(jì)算得，未切頂時(shí)的頂板初次垮落步距為45m。由周期垮落步距與初次垮落步距的關(guān)系：

得到周期垮落步距為19m。

由于四灰、五灰?guī)r石強(qiáng)度高，未切頂前的頂板初次垮落步距和周期垮落步距較大，頂板懸露面積更是達(dá)到了2340m2，嚴(yán)重危害了工作面的安全。

2.2 合理懸頂長(zhǎng)度計(jì)算

針對(duì)復(fù)合頂板懸露面積和垮落步距大等問題，分析計(jì)算合理懸頂長(zhǎng)度，定距斷裂采空區(qū)頂板，減小采空區(qū)懸頂面積。復(fù)合灰?guī)r頂板懸臂梁上覆荷載近似視為受均勻荷載q。當(dāng)上覆荷載不超過綜采支架的最大工作阻力，懸臂梁長(zhǎng)度合理，即：

式中，L為復(fù)合頂板懸壁梁長(zhǎng)度，m；[P]為綜采支架的最大工作阻力，kPa；La為綜采支架控頂長(zhǎng)度，m。

基于綜采支架最大工作阻力確定的復(fù)合灰?guī)r頂板懸頂長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

綜采支架類型為ZY5000，最大工作阻力為5000kN，支架控頂長(zhǎng)度為3m，根據(jù)式(7)計(jì)算得復(fù)合灰?guī)r頂板合理懸頂長(zhǎng)度為14.2m?？紤]綜采支架控頂長(zhǎng)度，復(fù)合灰?guī)r頂板合理懸頂長(zhǎng)度取11m。

3 深孔爆破閉合切頂技術(shù)

基于懸臂梁模型計(jì)算出的合理懸頂長(zhǎng)度，提出深孔爆破閉合切頂技術(shù)。

深孔爆破閉合切頂技術(shù)是采用聚能爆破技術(shù)，利用巖石抗壓不抗拉的特性，定向閉合切割采空區(qū)頂板。首先在切眼處進(jìn)行頂板鉆孔、裝藥，由切眼中心向兩側(cè)起爆，產(chǎn)生初始切眼切縫面；隨工作面推采，提前對(duì)工作面兩側(cè)回采巷道頂板鉆孔打眼施工，超前工作面裝藥、起爆，爆破斷裂采空區(qū)頂板，相鄰炮孔間產(chǎn)生的裂縫貫通形成回風(fēng)巷切縫面和運(yùn)輸巷切縫面；隨著工作面的推采，當(dāng)采空區(qū)懸頂長(zhǎng)度達(dá)到11m，對(duì)推采線處頂板進(jìn)行爆破切頂，形成一個(gè)閉合切縫面，使采空區(qū)頂板能夠在礦山壓力作用下沿閉合切縫面自行垮落；隨著工作面向前推進(jìn)，重復(fù)此施工工藝流程，形成多個(gè)閉合切縫面；待工作面推采至距終采線處，對(duì)終采線處頂板進(jìn)行爆破切頂，使得整個(gè)采空區(qū)頂板切縫面閉合，復(fù)合頂板完全垮落，其炮孔布置如圖2所示。

圖2 切頂鉆孔布置

相較于普通爆破切頂技術(shù)，采用深孔爆破閉合切頂技術(shù)能夠設(shè)定合理采空區(qū)懸頂長(zhǎng)度并爆破斷裂，使采空區(qū)頂板能夠隨推采及時(shí)垮落，避免大跨度懸頂突然垮落產(chǎn)生的巨大沖擊荷載對(duì)巷旁支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。對(duì)終采線頂板爆破強(qiáng)制放頂，消除采空區(qū)末端懸頂現(xiàn)象，避免末端長(zhǎng)期懸頂產(chǎn)生的高附加應(yīng)力造成巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和加劇巷道圍巖變形。

4 切頂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

復(fù)合灰?guī)r頂板巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，四、五灰?guī)r中夾有薄層泥巖，為獲得良好的切頂垮落效果，針對(duì)性設(shè)計(jì)爆破切頂參數(shù)，包括切頂角度、切頂高度、炮孔間距和封堵長(zhǎng)度。

4.1 切頂角度

切頂角度為切頂爆破孔與垂線的夾角，影響著頂板之間的擠壓摩擦力，而實(shí)現(xiàn)順利切頂?shù)年P(guān)鍵在于頂板的下滑力大于擠壓摩擦力。復(fù)合灰?guī)r頂板是致密堅(jiān)硬的巖層結(jié)構(gòu)，較小的切頂角度對(duì)切縫兩側(cè)頂板擠壓摩擦力的影響較小，頂板仍然可以視為一個(gè)整體，頂板之間的擠壓摩擦力大于頂板的下滑力，導(dǎo)致頂板難以垮落。較大的切頂角度則會(huì)增加留巷側(cè)向懸臂梁長(zhǎng)度，造成巷旁支護(hù)阻力過大，加大支護(hù)難度。根據(jù)相似工程經(jīng)驗(yàn)[11-14]知，當(dāng)采高大于1m時(shí)，切頂角度θ不超過15°。為保證切頂后采空區(qū)頂板能夠順利垮落，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，最終確定1102工作面切頂角度為15°。

4.2 切頂高度

在復(fù)合灰?guī)r頂板條件下進(jìn)行切頂，切頂僅需要將直接頂垮落下來，即切頂高度達(dá)到直接頂與基本頂?shù)姆謱用?，但若直接頂小于煤層厚度，切頂高度需要進(jìn)一步深入?；趲r石碎脹自承特性理論，切頂高度計(jì)算公式為：

式中，H為切頂高度，m；ΔS為頂板下沉和底板鼓起總量，m；M為煤層厚度，m；Kp為巖石平均碎脹系數(shù)，可按式(9)計(jì)算：

式中，Hi為第i層頂板巖層厚度，m；Ki為第i層頂板巖層的碎脹系數(shù)。

由110工作面頂板巖層分布可知，直接頂為厚度2.01m的五灰，基本頂為厚度5.13m的四灰，中間夾有厚度1.14m的泥巖。根據(jù)式(9)計(jì)算得，Kp取值為1.35。1102工作面煤層厚度最大為2.45m，經(jīng)式(8)計(jì)算得，切頂高度為7m。

復(fù)合灰?guī)r頂板巖石整體性好、強(qiáng)度高，且直接頂厚度和泥巖夾層厚度較小，當(dāng)切頂高度為7m時(shí)，切頂高度達(dá)到基本頂深處，為保證基本頂未貫穿部分在采空區(qū)頂板回轉(zhuǎn)下沉過程中順利斷裂、垮落，增加切頂高度至基本頂與上覆頂板分層面上，完全切斷基本頂，使基本頂隨直接頂在礦山壓力下順利垮落，垮落矸石對(duì)上覆巖層起到較好的支撐作用，減緩上覆巖層的回轉(zhuǎn)下沉對(duì)預(yù)留留巷的影響。因此，設(shè)計(jì)切頂高度為8.5m。切頂高度與切縫鉆孔深度l的關(guān)系為H=lcosθ，得到切縫爆破孔深度為9.0m。

4.3 炮孔間距

深孔聚能預(yù)裂爆破采用柱狀不耦合連續(xù)裝藥，考慮到聚能裝置的聚能作用，在聚能方向作用在炮孔壁上的應(yīng)力峰值壓力[15]為：

式中，ρ0為炸藥密度，g/cm3；Dv為炸藥爆度，m/s；rb為爆破孔半徑，m；rc為藥卷半徑，m；lc為軸向裝藥長(zhǎng)度，m；ld為炮孔藥室長(zhǎng)度，m；ξ為聚能效應(yīng)影響系數(shù)，根據(jù)相關(guān)研究[16-18]，裂隙區(qū)ξ=1.57～2.5；n為炸藥爆炸產(chǎn)物膨脹碰撞炮孔壁時(shí)的壓力增大系數(shù)，一般取n=8～11。

當(dāng)頂板巖體內(nèi)任一點(diǎn)環(huán)向方向拉應(yīng)力峰值大于其抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂板裂縫能夠繼續(xù)擴(kuò)展，由此得：

考慮到爆破已對(duì)巖石造成的損傷以及巖體本身裂隙，引入損傷因子D0，得到聚能方向巖體裂隙擴(kuò)展半徑為：

爆破孔間距應(yīng)使相鄰爆破孔裂隙區(qū)貫通，形成完整的切縫面，所以相鄰炮孔間距E應(yīng)為巖體裂隙圈擴(kuò)展半徑的2倍，即E=2r。

1102工作面頂板為復(fù)合頂板，泥巖的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于四、五灰的抗拉強(qiáng)度，所以采用五灰的抗拉強(qiáng)度能夠滿足復(fù)合頂板裂縫擴(kuò)展強(qiáng)度要求。炸藥選用煤礦許用二級(jí)乳化炸藥，藥卷規(guī)格為Φ27mm×200mm，計(jì)算得炮孔間距為1.26m?？紤]到中深層井下爆破環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)爆破的裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度很難達(dá)到理論計(jì)算值[19]，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得，炮孔間距選取為1.0m。

4.4 封堵長(zhǎng)度

復(fù)合灰?guī)r頂板強(qiáng)度高、難斷裂，爆破產(chǎn)生的裂縫擴(kuò)展距離有限，因此，設(shè)計(jì)合理炮孔封堵來提高爆炸應(yīng)力波和爆生氣體的擴(kuò)展裂縫作用。為獲得合理的炮孔封堵長(zhǎng)度，在炮泥運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上研究炮泥運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在爆炸荷載的作用下，炮泥會(huì)產(chǎn)生壓縮和向孔口移動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)過程。爆生氣體作為理想氣體且充滿整個(gè)炮孔空間，其準(zhǔn)靜壓力遠(yuǎn)小于爆炸沖擊波，故認(rèn)為炮泥在爆生氣體準(zhǔn)靜壓力作用下做整體剛性運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)模型如圖3所示。

圖3 炮泥運(yùn)動(dòng)模型

爆炸是瞬態(tài)變化的過程，認(rèn)為在炮泥壓縮過程中受到壓力P保持不變，所以炮泥壓縮時(shí)間應(yīng)為爆炸沖擊波在炮泥中傳播時(shí)間，即：

式中，ls為封孔長(zhǎng)度，m；cp為巖體的縱波波速，m/s。

炮泥在爆生氣體壓力作用下向孔口移動(dòng)，炮孔內(nèi)氣體體積增大，從而導(dǎo)致爆生氣體壓力減小，其壓力衰減規(guī)律[20]為：

式中，P0為初始沖擊壓力，N；l為炮孔深度，m。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，取爆生氣體平均壓力代替炮泥運(yùn)動(dòng)過程中變化的瞬時(shí)氣體壓力。在炮泥壓縮過程中，炮泥發(fā)生徑向膨脹而擠壓炮孔壁，導(dǎo)致炮泥與孔壁之間存在一定強(qiáng)度且均勻分布的摩擦阻力。根據(jù)牛頓第二定律對(duì)炮泥分析得：

式中，M為裝藥重力，N；G為炮泥重力，N；m為炮泥質(zhì)量，kg。

由式(15)可得炮泥運(yùn)動(dòng)加速度，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取加速度平均值代替炮泥剛體運(yùn)動(dòng)過程中的瞬時(shí)加速度。因此，炮泥全長(zhǎng)卸載作用時(shí)間為：

炮泥封堵是為了裂縫更好發(fā)育，所以炮泥全長(zhǎng)卸載時(shí)間大于爆炸應(yīng)力波和爆生氣體在巖石中成縫時(shí)間，即：

式中，cf為裂紋擴(kuò)展極限速度，cf=0.38cpm/s。

經(jīng)式(17)計(jì)算得，封堵長(zhǎng)度為1.84m?？紤]復(fù)合灰?guī)r頂板中五灰?guī)r層較堅(jiān)硬、難斷裂，裝藥段應(yīng)達(dá)到五灰?guī)r層處，所以炮孔封堵長(zhǎng)度選取2.0m，但封堵長(zhǎng)度不應(yīng)超過2.0m。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與效果分析

5.1 切頂施工方案

綜上可知，爆破切頂參數(shù)選取切頂高度為8.5m，炮孔直徑為70mm，鉆孔深度為9m，切頂角度為15°，炮孔間距為1.0m，炮孔封堵長(zhǎng)度為2.0m，炸藥選用煤礦許用二級(jí)乳化炸藥，藥卷規(guī)格為?27mm×200mm。為獲得最優(yōu)裝藥結(jié)構(gòu)，選用?63mm和?40mm的PVC聚能管，設(shè)計(jì)4種的裝藥方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)以確定最終裝藥結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案見表1。根據(jù)復(fù)合灰?guī)r頂板五灰、泥巖、四灰的巖層分布，應(yīng)采取兩端多中間少的裝藥結(jié)構(gòu)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析得，采用“2+1+2”的裝藥結(jié)構(gòu)，爆破切縫效果最好，其裝藥結(jié)構(gòu)如圖4所示?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，超前工作面對(duì)頂板實(shí)施爆破切頂，炸藥放入聚能管，聚能管安裝于爆破孔內(nèi)，正向起爆，單次起爆3個(gè)炮孔。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

獲取良好的閉合切頂效果，在切縫面拐角處，炮孔布置采取向兩側(cè)傾斜的方式，炮孔傾斜角度控制在85°左右。拐角處炮孔爆破后，能夠產(chǎn)生光滑且貫通的切縫面，避免巷邊垮落矸石造成巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。

5.2 爆破效果檢驗(yàn)

邱集煤礦1102工作面運(yùn)用深孔爆破閉合切頂技術(shù)，成功解決了采空區(qū)大跨度懸頂問題。炮孔起爆后，采空區(qū)頂板沿炮孔連線方向出現(xiàn)明顯裂縫，破壞了頂板的完整性。采用鉆孔窺視儀對(duì)爆炸前后炮孔內(nèi)部裂隙狀態(tài)進(jìn)行窺視，觀察到爆破前孔壁光滑完好，無明顯裂隙和節(jié)理；爆破后沿聚能方向產(chǎn)生兩條裂縫，在其他方向無裂隙產(chǎn)生。通過相鄰炮孔注水試驗(yàn)，對(duì)一側(cè)炮孔進(jìn)行封堵注水，注水從相鄰孔流出，相鄰炮孔裂縫貫穿良好。

推采線處采空區(qū)頂板爆破切頂完成后，復(fù)合灰?guī)r頂板沿閉合切縫面順利垮落，減小了采空區(qū)懸頂長(zhǎng)度，避免了頂板來壓一次垮落面積大等問題。待終采線處完成爆破切頂，采空區(qū)頂板完全垮落，垮落矸石既可以支撐上覆巖層和充填巷幫，又可以限制上層頂板下沉。由于四五灰?guī)r層變化的影響，在鉆孔過程中炮孔角度會(huì)出現(xiàn)一些偏差，導(dǎo)致頂板切縫線出現(xiàn)了不同程度的偏斜，但大部分頂板偏斜小于0.5m，能夠滿足頂板裂隙貫穿要求。

綜采支架隨工作面推進(jìn)的最大工作阻力變化情況如圖5所示。隨著工作面的推采，綜采支架壓力迅速上升；爆破斷裂采空區(qū)頂板后，大跨度懸頂沿閉合切縫面順利垮落，綜采支架壓力迅速下降。經(jīng)監(jiān)測(cè)得，頂板初次垮落步距從45m降低為24m，周期垮落步距從19m降低為11m，分別降低了46.6%和42.1%，有效減小了垮落步距，取得了良好的頂板垮落效果，加快了工作面的安全推采。

圖5 綜采支架平均工作阻力變化曲線

6 結(jié) 論

1)基于四周固支巖梁模型，理論計(jì)算了復(fù)合灰?guī)r頂板初次垮落和周期垮落步距，證明未切頂開采存在垮落步距和懸頂面積較大等問題，為切頂必要性提供理論支持。

2)工作面推采后，復(fù)合灰?guī)r頂板出現(xiàn)大跨度懸頂，通過分析計(jì)算合理懸頂長(zhǎng)度，提出深孔爆破閉合切頂技術(shù)，定距爆破切割采空區(qū)頂板形成閉合切縫面，促使采空區(qū)頂板隨推采及時(shí)垮落。

3)針對(duì)性設(shè)計(jì)合理的爆破切頂參數(shù)，建立炮泥運(yùn)動(dòng)模型，推導(dǎo)封堵長(zhǎng)度計(jì)算公式，并根據(jù)復(fù)合灰?guī)r頂板巖層分布對(duì)切頂參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)證明參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

4)邱集煤礦1102工作面成功應(yīng)用深孔爆破閉合切頂技術(shù)，實(shí)踐結(jié)果證明：爆破切頂后，相鄰炮孔間裂縫貫通形成閉合切縫面，采空區(qū)頂板沿閉合切縫面隨工作面推采及時(shí)垮落，解決了采空區(qū)大跨度懸頂問題；復(fù)合灰?guī)r頂板初次垮落步距從45m降低為24m，周期垮落步距從19m降低為11m，分別降低了46.6%和42.1%，有效減小了垮落步距，為類似地質(zhì)條件下的懸頂問題提供了一定參考。