D型聚能管定向預(yù)裂爆破技術(shù)在沿空留巷中的應(yīng)用

王麗軍

（沁和能源集團(tuán)有限公司永紅煤礦，山西 晉城 048000）

0 引言

沿空留巷可以實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)煤柱開采，具有降低巷道掘進(jìn)率、提高資源回收率、緩解礦井接續(xù)緊張局面、降低礦井開采成本[1-2]等優(yōu)點(diǎn)，隨著煤礦開采技術(shù)的不斷提升，沿空留巷技術(shù)也得到大力發(fā)展，近年來(lái)已在我國(guó)煤礦井下得到了廣泛應(yīng)用。目前常用的沿空留巷方式有切頂卸壓、膏體混泥土充填、柔?；炷嗤林ёo(hù)[3-4]等，而切頂卸壓沿空留巷因具有施工簡(jiǎn)單、成本投入少、留巷效果好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。切頂卸壓技術(shù)前提就是采用預(yù)裂爆破技術(shù)在回采工作面巷道內(nèi)對(duì)采空區(qū)側(cè)的巷道頂板進(jìn)行定向預(yù)裂[5]。預(yù)裂爆破通常采用的是雙向聚能管[7]，目前，聚能管的種類繁多，其中D型聚能管由于結(jié)構(gòu)特殊，其能夠減少爆破鉆孔施工數(shù)量和裝藥量、提高爆破效率，在隧道、鐵路、公路、邊坡工程施工和煤礦巖巷掘進(jìn)光面爆破中應(yīng)用比較廣泛[8-9]，而在沿空留巷預(yù)裂爆破中研究和應(yīng)用比較少。因此，研究和掌握D型聚能管在沿空留巷預(yù)裂爆破中的技術(shù)顯得十分必要。基于此，結(jié)合王莊煤礦21031工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件，在工作面進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷期間對(duì)D型聚能管預(yù)裂爆破在巷道頂板預(yù)裂中的爆破機(jī)理作用進(jìn)行研究分析，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果表明預(yù)裂作用達(dá)到了預(yù)期效果，為類似條件下礦井沿空留巷使用D型聚能爆破管進(jìn)行預(yù)裂爆破提供了技術(shù)參考。

1 工程概況

1.1 工作面概況

21031綜采工作面位于王莊煤礦21采區(qū)東翼，工作面北臨21051工作面采空區(qū)，南為計(jì)劃21041接替工作面，西至21采區(qū)三條下山，東為采區(qū)保護(hù)煤柱（工作面布置如圖1所示）。工作面走向長(zhǎng)850 m，傾斜長(zhǎng)180 m，工作面主采二1煤層，煤層厚3.6～5.8 m，平均煤厚4.1 m，煤層傾角3°～8°，平均6°。地面標(biāo)高+376.4～+550.0 m，工作面標(biāo)高為-160～-266 m。工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1所示。

圖1 21031工作面沿空留巷布置圖

表1 21031工作面煤層頂?shù)装迩闆r

1.2 沿空留巷情況

21031工作面回采過(guò)程中采用切頂卸壓技術(shù)將21031進(jìn)風(fēng)巷保留下來(lái)作為21041工作面的回風(fēng)巷。21031進(jìn)風(fēng)巷沿頂掘進(jìn)，支護(hù)方式為“錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)”，巷道為矩形斷面，凈寬5 000 mm，凈高3 500 mm，凈斷面17.5 m2。現(xiàn)有巷道支護(hù)形式遠(yuǎn)不能滿足沿空留巷后的礦壓顯現(xiàn)，在切頂卸壓留巷前需在現(xiàn)有支護(hù)基礎(chǔ)上采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)巷道頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，在留巷過(guò)程中采“用單體液壓支柱+π型鋼梁”打設(shè)抬棚對(duì)頂板進(jìn)行加固，沿巷道走向方向共打設(shè)4排抬棚，單體液壓支柱下方必須全部墊柱鞋。工作面后方留巷段內(nèi)采空區(qū)幫采用“鋼筋網(wǎng)+風(fēng)布+U型鋼+工字鋼連鎖”方式進(jìn)行擋矸防護(hù)。

2 聚能管定向預(yù)裂爆破原理及切頂卸壓理論分析

2.1 聚能管定向爆破原理

聚能管爆破技術(shù)是利用V形聚能槽的聚能效應(yīng)提高爆破對(duì)巷道巖體破壞的破壞程度，以達(dá)到更好的爆破效果[10]，其炮眼內(nèi)裝藥方式如圖2所示。定向預(yù)裂爆破控制技術(shù)是在裝藥爆破時(shí)采用定向切縫管將炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波控制其朝著設(shè)定的方向進(jìn)行傳播，從而達(dá)到定向爆破的目的[11-12]。一般將聚能爆破分為2個(gè)主要過(guò)程，首先是炸藥在瞬間爆炸時(shí)，其產(chǎn)生的聚能沖擊波作用在炮孔巖壁上特定位置上，從而在炮孔壁上特定位置上形成初始破壞和裂縫；然后，在爆炸產(chǎn)物及沖擊波共同作用下，炮孔壁上形成的初始裂縫不斷擴(kuò)大延展，最終使炮孔壁上的裂隙實(shí)現(xiàn)定向擴(kuò)展直至炮孔間的貫通。定向預(yù)裂爆破過(guò)程如圖3所示。

圖2 聚能管爆破炮眼內(nèi)裝藥方式

圖3 定向預(yù)裂爆破過(guò)程

炸藥在定向切縫管內(nèi)爆炸時(shí)由于受到切縫管的限制作用，產(chǎn)生的沖擊波會(huì)沿著定向切縫管的切縫口方向向外傳播直接作用到炮眼壁上（A、B點(diǎn)），作用的壓力大小為P1；傳播到其他方向上的沖擊波因受到定向切縫管的阻尼作用而產(chǎn)生位移變形，吸收一部分沖擊波能量，在炮孔壁上產(chǎn)生的壓力作用大小為P2，由此可得：

式中：k為爆炸沖擊波能量衰減系數(shù)，δ為定向切縫管管壁厚度，mm。

根據(jù)相關(guān)研究，爆炸沖擊波在切縫管壁A、B兩個(gè)方向產(chǎn)生的作用力是其他方向上的3.8倍[13-15]，因爆破沖擊力在切口處傳播的壓力突然發(fā)生巨大變化，從而更有利于在巖層中產(chǎn)生剪切破壞。當(dāng)相鄰的2個(gè)炮眼施工的切縫在一條直線上時(shí)，在連心線方向上形成爆破應(yīng)力集中，當(dāng)產(chǎn)生的壓力大于巷道圍巖抗壓強(qiáng)度時(shí)就會(huì)沿著切縫方向形成定向破裂。

2.2 聚能爆破切頂卸壓機(jī)理

工作面回采過(guò)程中，煤層上方直接頂在進(jìn)入采空區(qū)后會(huì)隨著煤層采出后發(fā)生斷裂垮落，隨著工作面繼續(xù)向前回采，煤層上方基本頂懸頂長(zhǎng)度也隨之不斷加長(zhǎng)，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)懸頂長(zhǎng)度達(dá)到基本頂?shù)臉O限垮落步距后，基本頂也將會(huì)出現(xiàn)斷裂[16-17]。通常情況下基本頂巖層巖性較堅(jiān)硬，采空區(qū)內(nèi)的基本頂垮落后在沿空留巷側(cè)基本頂仍不會(huì)垮落，而是形成長(zhǎng)距離的懸頂。當(dāng)懸頂面積過(guò)大在出現(xiàn)突然斷裂垮落時(shí)將會(huì)形成極大沖擊動(dòng)載，造成沿空留巷內(nèi)巷旁支護(hù)體承載極大沖擊載荷（如圖4所示），從而造成支護(hù)體出現(xiàn)沖擊破壞，嚴(yán)重影響沿空留巷巷道穩(wěn)定性。

圖4 未進(jìn)行爆破預(yù)裂條件下頂板圍巖垮落結(jié)構(gòu)圖

在超前回采工作面切眼一定距離巷道內(nèi)靠近回采側(cè)巷道頂板上方施工預(yù)裂鉆孔進(jìn)行預(yù)裂聚能爆破，使頂板巖體整體性在聚能爆破作用下產(chǎn)生破壞，沿預(yù)定方向形成大量裂隙；當(dāng)工作面采空區(qū)進(jìn)入該位置后，在覆巖壓力及沿空留巷巷旁充填體支撐作用下，基本頂巖體能夠沿預(yù)裂縫產(chǎn)生剪切破斷后及時(shí)垮落下沉，從而縮短了留巷側(cè)頂板懸露長(zhǎng)度，減小了采空區(qū)頂板垮落作用在巷旁支護(hù)體上的沖擊載荷和應(yīng)力集中，同時(shí)頂板垮落的矸石能夠?qū)ぷ髅娌煽諈^(qū)側(cè)空間進(jìn)行充填，可以起到支撐留巷側(cè)頂板起的作用，從而優(yōu)化了留巷內(nèi)巷道圍巖整體應(yīng)力結(jié)構(gòu)，提高了留巷巷道圍巖穩(wěn)定性，確保留巷效果。實(shí)施預(yù)裂爆破后巷道圍巖結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 爆破預(yù)裂后頂板圍巖垮落結(jié)構(gòu)圖

3 工業(yè)性試驗(yàn)

為確定合理的超前爆破預(yù)裂切縫技術(shù)參數(shù)，采用D型聚能管在王莊煤礦21031工作面進(jìn)風(fēng)巷650～750 m區(qū)段內(nèi)進(jìn)行定向預(yù)裂爆破切縫試驗(yàn)，利用鉆孔窺視方法及對(duì)工作面下隅角頂板垮落情況進(jìn)行觀測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)聚能管定向預(yù)裂爆破切頂效果。

3.1 預(yù)裂爆破試驗(yàn)

3.1.1 爆破孔布置參數(shù)

爆破孔布置在靠近回采幫側(cè)巷道頂部，為便于施工爆破孔，鉆機(jī)開鉆位置要與工作面回采側(cè)巷幫間隔一定的距離，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，爆破孔開口位置距離回采側(cè)巷幫400 mm為宜。當(dāng)爆破孔向?qū)嶓w煤幫傾斜布置或沿走向方向豎直布置時(shí)不利于工作面采空區(qū)側(cè)巷道頂板斷裂垮落，因此，通常情況下在施工爆破鉆孔時(shí)需向回采幫傾斜一定角度，一般傾斜角度應(yīng)大于5°，小于15°，因傾斜角度大于15°時(shí)，工作面采空區(qū)側(cè)頂板將會(huì)形成大面積懸頂，從而增大頂板壓力。在21031進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂爆破試驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)爆破鉆孔傾角為80°，爆破孔直徑為42 mm，炮眼呈單排眼布置，間距L為500 mm。

為防止工作面采空區(qū)內(nèi)頂板周期來(lái)壓垮落時(shí)對(duì)留巷巷道造成影響，必須將采空區(qū)側(cè)的頂板（直接頂）與留巷內(nèi)的頂板切斷。同時(shí)為保證留巷巷道的穩(wěn)定性，還需保證采空區(qū)內(nèi)頂板垮落的巖層堆積高度比原頂板厚度要大，確保切頂后工作面采空區(qū)側(cè)頂板垮塌冒落的矸石能夠?qū)⒉煽諈^(qū)充填嚴(yán)實(shí)。因此，在切頂留巷時(shí)，確定切斷的巖層為直接頂，根據(jù)21031工作面煤層頂?shù)装迩闆r，工作面直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，厚度5 m，即切頂高度H0=5 m。爆破孔施工的深度H可以利用臨界公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：H0為工作面留巷頂板切頂高度，取5 m；k為工作面頂板巖層厚度變化系數(shù)，取1.3；β為爆破孔傾角，取80°；σ工作面煤層傾角，取6°；c為切縫時(shí)爆破孔穿過(guò)直接頂?shù)暮穸?，?.1 m。

將參數(shù)代入公式計(jì)算可得：爆破孔深度H=7 000 mm。工作面沿空留巷爆破鉆孔施工設(shè)計(jì)見圖6。

圖6 定向預(yù)裂爆破鉆孔布置示意圖

3.1.2 裝藥及封孔技術(shù)參數(shù)

采用三級(jí)煤礦許用乳化炸藥進(jìn)行爆破，炸藥藥卷長(zhǎng)度400 mm，直徑35 mm，單卷藥重量為0.44 kg。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》“深孔爆破時(shí)，封泥長(zhǎng)度不得小于孔深的1/3”的規(guī)定要求，爆破孔深度為7 m，則封孔深度設(shè)計(jì)為3 m，滿足規(guī)程要求，據(jù)此單孔剩余裝藥段長(zhǎng)度為4 m。裝藥時(shí)為便于炸藥能夠順利進(jìn)入D型聚能管中，采用氣動(dòng)膠槍進(jìn)行裝藥；該D型聚能管裝藥密度約為0.5 kg/m，正向裝藥，4 m長(zhǎng)裝藥段裝藥量共計(jì)約2 kg，藥卷數(shù)量為4.5卷；該聚能管內(nèi)徑為32 mm，外徑為3 6mm，管長(zhǎng)2 m，每個(gè)爆破孔內(nèi)安裝2節(jié)聚能管，管接頭處采用專用接頭進(jìn)行連接（聚能管結(jié)構(gòu)如圖7所示）；聚能管內(nèi)每2 m安設(shè)2發(fā)煤礦許用毫秒延期電雷管，采用并聯(lián)方式連接，炮眼之間采用串聯(lián)方式連接，每次起爆時(shí)采用同段別電雷管，同時(shí)起爆個(gè)數(shù)控制在5～10個(gè)；采用水泡泥和黃土制作的炮泥進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度3 m，其中水泡泥長(zhǎng)度0.5 m，共計(jì)布置2支水泡泥，黃土炮泥長(zhǎng)度2.5 m。裝藥及封孔方式如圖8所示。

圖7 D型聚能管結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 定向預(yù)裂爆破裝藥及封孔方式示意圖

3.2 預(yù)裂爆破切頂效果觀測(cè)

通過(guò)采用窺視儀對(duì)爆破前后爆破孔內(nèi)裂隙發(fā)育情況進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)預(yù)裂爆破切頂前后效果進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)爆破后爆破孔內(nèi)的巖石沒有明顯的裂隙發(fā)育，說(shuō)明爆破參數(shù)設(shè)置不合理，需要進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整；當(dāng)爆破后形成的裂縫沿著爆破孔連線方向延展發(fā)育，則表明爆破切縫效果良好。

為檢驗(yàn)D型聚能管預(yù)裂爆破切縫效果，采用ZKX G-30K型礦用本安型鉆孔窺視儀分別對(duì)爆破孔在裝藥前和預(yù)裂爆破后的巖石裂隙發(fā)育情況進(jìn)行窺視。在對(duì)爆破后的鉆孔進(jìn)行窺視時(shí)需在2個(gè)鉆孔中間補(bǔ)打1個(gè)與爆破孔參數(shù)相同的窺視孔，用于觀測(cè)爆破后的效果，窺視孔必須布置在2個(gè)鉆孔的連線中間。若觀測(cè)到爆破孔內(nèi)爆破后沿鉆孔連線方向形成的裂隙發(fā)育長(zhǎng)度大于爆破孔深度50%且相鄰2個(gè)爆破孔之間的連線方向產(chǎn)生的明顯的裂隙，由此表明爆破預(yù)裂效果良好；否則應(yīng)對(duì)預(yù)裂爆破相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后再次進(jìn)行觀測(cè)，直至觀測(cè)到的結(jié)果到達(dá)預(yù)裂爆破切頂效果要求。觀測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 D型聚能管定向預(yù)裂爆破后鉆孔窺視情況

3.3 爆破預(yù)裂效果評(píng)價(jià)

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果可以看出，由于D型聚能管能夠利用自身具有的V型聚能槽將裝填在其內(nèi)部炸藥爆炸時(shí)形成的沖擊波引導(dǎo)至V型聚能槽處進(jìn)行聚集和應(yīng)力疊加，相比較于傳統(tǒng)的聚能管，其能夠產(chǎn)生更好的聚能效果，從而更有利于爆破后炮孔之間產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行相互延展，提高了定向預(yù)裂爆破切縫結(jié)構(gòu)面形成和成縫率，且形成的對(duì)稱裂縫較為明顯，起到了很好的預(yù)裂切縫效果。

4 留巷效果分析

工作面在沿空留巷過(guò)程中采用聚能管定向預(yù)裂爆破技術(shù)，提前對(duì)巷道頂板定向爆破預(yù)裂切縫，將原巷道頂板直接頂與工作面采空區(qū)側(cè)的直接頂切斷，阻斷工作面采空區(qū)側(cè)頂板垮落時(shí)的頂板應(yīng)力向留巷內(nèi)巷道頂板傳遞，采空區(qū)側(cè)的頂板在工作面圍巖應(yīng)力作用下自然垮落，垮落的矸石在留巷內(nèi)擋矸墻處經(jīng)過(guò)矸石垮落、堆積及壓實(shí)3個(gè)過(guò)程后最終形成了留巷巷道一側(cè)穩(wěn)定的矸石幫[18]。

21031工作面進(jìn)風(fēng)巷在留巷過(guò)程中，為觀測(cè)留巷巷道圍巖變形情況，自留巷開始處每間隔50 m布置1組觀測(cè)站，采用“十”字觀測(cè)法對(duì)巷道圍巖變形量進(jìn)行觀測(cè)，選取2號(hào)測(cè)站作為分析對(duì)象，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)整理后繪制出如圖10所示曲線圖。

根據(jù)圖中觀測(cè)結(jié)果分析可知，在留巷進(jìn)入工作面采空區(qū)后巷道圍巖開始出現(xiàn)變形，沿空留巷進(jìn)入工作面后方0～60 m范圍內(nèi)時(shí)，留巷巷道圍巖產(chǎn)生的變形量最大，其中頂?shù)装逡平吭黾?80 mm，兩幫位移量增加200 mm；留巷進(jìn)入工作面后方60～80 m范圍內(nèi)，隨著采空區(qū)側(cè)巷道頂板逐步切斷垮落后將采空區(qū)充填和壓實(shí)，留巷內(nèi)巷道頂?shù)装搴蛶筒孔冃瘟恐饾u趨緩；留巷進(jìn)入工作面后方100 m以后，巷道圍巖變形狀態(tài)基本趨于穩(wěn)定。最終留巷段巷道頂?shù)装遄畲笠平考s為375 mm，最終留巷高度為3 125 mm，收縮率為10.7%；兩幫位移量最大值為315mm，最終留巷寬度為4 685 mm，收縮率為 6.3%。由此說(shuō)明采用D型聚能管定向爆破預(yù)裂技術(shù)進(jìn)行沿空留巷，形成的巷道能夠達(dá)到安全生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

1）對(duì)聚能管定向預(yù)裂爆破技術(shù)原理進(jìn)行理論分析，該技術(shù)能利用V型聚能槽及定向切縫管實(shí)現(xiàn)定向預(yù)裂爆破，提高爆破切縫效果。并根據(jù)工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件，確定了定向預(yù)裂爆破有關(guān)技術(shù)參數(shù)。

2）通過(guò)采用鉆孔窺視技術(shù)對(duì)爆破切縫效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，該技術(shù)提高定向預(yù)裂爆破切縫結(jié)構(gòu)面形成和成縫率，且形成的對(duì)稱裂縫較為明顯，能夠有效切斷工作面采空區(qū)側(cè)頂板與留巷段巷道頂板之間的聯(lián)系，起到了很好的預(yù)裂切縫效果。

3）通過(guò)對(duì)留巷段巷道圍巖變形情況進(jìn)行觀測(cè)分析可知，采用D型聚能管定向預(yù)裂爆破技術(shù)，有利于工作面采空區(qū)頂板垮落，減小工作面頂板周期來(lái)壓對(duì)留巷巷道的影響，巷道圍巖變形量均在可控范圍內(nèi)，最終留巷巷道斷面滿足工作面安全生產(chǎn)要求，為類似條件下礦井制定切頂卸壓沿空留巷方案提供一定參考，具有較大推廣應(yīng)用價(jià)值。