沁新煤礦厚層灰?guī)r頂板預(yù)裂技術(shù)參數(shù)研究

李治國

（山西沁新煤業(yè)有限公司，山西 長治 100083）

0 引 言

目前我國沿空留巷技術(shù)均已經(jīng)在各大礦區(qū)得到了大量試驗推廣和應(yīng)用，在進行沿空留巷過程中，巷旁充填墻、擋矸支護結(jié)構(gòu)等，在采空區(qū)側(cè)向懸頂壓力作用下，出現(xiàn)了變形破壞等壓力顯現(xiàn)。為了降低采空區(qū)側(cè)向懸頂對沿空巷道圍巖及支護體的力學(xué)作用，在實際工程處理中，我們會采用人工干預(yù)措施，通過預(yù)裂技術(shù)將在沿空巷道靠近采空側(cè)人為形成一個預(yù)裂面，促使其迅速垮落，降低其對沿空巷道上產(chǎn)生的附加荷載作用。其中爆破預(yù)裂切頂因為不受巖層性質(zhì)影響，爆破效果可靠，預(yù)裂面平整美觀，可控性較強，而且能量分布集中，對周圍巖體損傷較小，在切頂中得到了大量應(yīng)用。本文通過在沁新煤礦9+10 號煤層沿空留巷工程實踐，研究了堅硬灰?guī)r頂板中爆破切縫原理，及關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計選取方法，可為堅硬頂板條件的切頂技術(shù)提供有益參考。

1 工程地質(zhì)條件

沁新煤礦9105 工作面ZK505 號鉆孔頂?shù)装鍘r性測試結(jié)果：9+10 號煤層直覆8 m 厚灰?guī)r頂板，單軸抗壓強度67.6～120 MPa，均值93.8 MPa；單向抗拉強度1.70～3.52 MPa，均值2.61 MPa；抗剪強度3.77～7.0 MPa，均值5.39 MPa。底板為1.7 m 厚黑色砂泥巖，性脆，軟弱，單軸抗壓強度9.9～11.8 MPa，均值10.8 MPa；單軸抗拉強度0.51～0.66 MPa，均值0.58 MPa，底板穩(wěn)定性差。下位巖層為粉砂巖4.93 m厚，整體煤巖層分布見表1。

表1 9105 工作面頂?shù)装鍘r層條件

2 聚能爆破切頂原理

2.1 聚能爆破切頂原理

通過在炸藥外層加裝一層具有聚能射流效應(yīng)的管體與炸藥組成形成聚能作用的藥包，具體做法是將炸藥裝入兩側(cè)呈180°分布有3 mm 直徑密集孔的PVC 管子內(nèi)，雷管引爆乳化炸藥后，爆轟波首先沿切縫管中的縫隙沖出形成射流，該射流對鉆孔壁產(chǎn)生沖擊作用產(chǎn)生初始裂紋；然后炸藥爆炸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高能爆生氣體迅速膨脹擠壓鉆孔周壁，使得爆轟波產(chǎn)生的初始裂紋迅速擴展形成沿管壁切縫方向上的主預(yù)裂縫，該主預(yù)裂縫將巖石沿一定方向切割成2 部分，形成斷裂面。后期采場頂板在來壓作用下，即沿著此斷裂面切落，實現(xiàn)了切頂卸壓作用。原理圖見圖1。

圖1 聚能切縫爆破作用原理圖

2.2 聚能爆破特點

1）能量調(diào)控顯著：通過聚能射流沖擊形成初始裂縫，使得爆生氣體的更多能量用來擴展初始裂紋，也將會更多的節(jié)省炸藥。

2）切割效果顯著：因為工程原巖的復(fù)雜（裂隙復(fù)雜，原始應(yīng)力復(fù)雜等），當初始主裂縫與原來的裂隙疊加時，該爆破的爆轟壓力變高、預(yù)先泄出射流速度增大，切縫效應(yīng)更明顯。

3）可以保護巷道頂板。由于炸藥能量主要用來定向致裂和定向裂紋擴展，則減小了對巷道頂板的破壞，保護了頂板。

4）降低鉆孔費用：由于采用定向預(yù)裂，較不耦合爆破裂縫更長，因此，可以增大預(yù)裂炮孔間距，減少鉆孔工程量，經(jīng)濟效益顯著。

3 切頂爆破參數(shù)研究

3.1 炮孔深度

爆破切縫孔深（H 縫）計算如下：

式中：hK為頂板下沉量，m；hG為底臌量，m；K為碎脹系數(shù)，1.3～1.5。

根據(jù)9105 工作面膠帶巷類似工程切頂施工經(jīng)驗及測量的頂板巖性碎漲系數(shù)，本次K取1.3，底板鼓起量和頂板下沉值按0 考慮，煤層采高取2.6 m時，計算得理論切縫垂高H1f=8.67m，實際取9 m。

3.2 炮孔傾角

為促使切頂后采空區(qū)采場頂板巖塊能與沿空巷道頂板巖塊脫離，則需滿足采場巖塊B 沿2 個塊體間的接觸面上產(chǎn)生的滑動作用力fh大于沿空巷道頂板巖塊A 在水平力作用下產(chǎn)生的接觸面摩擦力fk，故若需順利滑落則需滿足：

圖2 炮孔切縫結(jié)構(gòu)面處巖塊咬合平衡

式中：T為水平擠壓力；Fz為巖塊B 及其上覆軟弱巖層重量，kN；Lz1為巖塊B 沿工作面傾向的長度；Hz為巖塊B 的厚度，即7.0 m；Sz為B 巖塊回轉(zhuǎn)下沉量，Sz=ηmLz1，η為頂板下沉系數(shù)，取0.025。

LZ2為巖塊B 沿工作面走向長度；Lz1=Lz2=h為巖層趨向斷裂時的安全系數(shù)，取3。

式中：SΔ為巖塊B 的面積，SΔ= Lz1Lz2/2，m2；Hzi為關(guān)鍵塊及上覆軟弱巖層的厚度，m；γzi為關(guān)鍵塊及其上覆軟弱巖層的各層容重，kN/m3。

經(jīng)理論計算，可得切頂角度15°。

3.3 炮孔不耦合系數(shù)

不耦合系數(shù)按照1.3～1.8 考慮，炸藥φ35 mm，則炮孔直徑需達到45.5～63 mm，考慮聚能管壁厚度影響，則實際取鉆孔55 mm，耦合系數(shù)1.31。

3.4 裝藥密度

切縫炮孔裝藥的線密度QL，按照下式計算：

式中：D為鉆孔直徑，mm；A為鉆孔間距，cm；k為巖石硬度折減系數(shù)，巖石硬度f ≥6 時，k=0.6，巖石硬度3 ≥f≥6 時，k=0.4～0.5，巖石硬度2≥f≥0時，k=0.3～0.4。根據(jù)9+10 號煤層頂板K2 灰?guī)r硬度值f=12 ≥6，鉆孔直徑55 mm，鉆孔間距500 mm，則代入QL中計算可得，單孔炸藥裝藥線密度為1.0 kg/m。

3.5 封泥長度

我國煤礦行業(yè)安全規(guī)程規(guī)定：當采用深孔爆破時，炮孔的封堵長度不小于炮孔長度的1/3，則設(shè)計炮孔9 m，需封泥3 m。

3.6 裝藥結(jié)構(gòu)

爆破孔裝藥分布見圖3，單孔采用4 節(jié)內(nèi)徑36.5 mm，外徑42 mm 的聚能管，每根管采用4 節(jié)炸藥集中放置，每孔設(shè)置1 枚電雷管，一次起爆的炮孔，連線時同孔內(nèi)雷管引線采用并聯(lián)，孔與孔之間引線采用串聯(lián)。頂板巖石破碎或構(gòu)造區(qū)域時，則減小裝藥量。封泥長度不變，將封泥段整體上移。

圖3 沁新煤礦9+10 號頂板裝藥結(jié)構(gòu)

3.7 單次起爆藥量

單次起爆炮孔數(shù)，要根據(jù)單次起爆藥量進行計算獲得，單次起爆藥量計算分析：

按照每kg 炸藥量所需風(fēng)量10 m3/min 考慮，則每次起爆炸藥量：

式中：A為爆破炸藥量，單位kg，Q為斷面通風(fēng)量取562 m3/min。單孔按照4-4-4-4 裝藥，則單孔總裝藥量4 kg，根據(jù)通風(fēng)量計算，單次起爆最大數(shù)量按照14 個孔計算，最大起爆炸藥量56 kg＜56.2 kg。設(shè)計單次起爆藥量10～12 個。

4 爆破參數(shù)試驗方法及效果

4.1 數(shù)值模擬法確定炮孔合理間距

爆破數(shù)值模型如圖4 所示，模型由巖石單元、空氣單元、炸藥單元、聚能管單元構(gòu)成，計算模型大小與實物模型尺寸一致，其內(nèi)徑為3.6 cm，外徑為4.2 cm，切縫寬度為0.4 cm；炸藥直徑3.2 cm。將計算的模型簡化為平面狀態(tài)下的狀態(tài)模型，在厚度方向上取5 mm。模型中起爆方式采用中心點起爆，空氣邊界設(shè)為非反射邊界。

為了確定最優(yōu)的聚能爆破炮孔間距，對比分析400、500、600 mm 炮孔間距下連孔聚能爆破應(yīng)力演化規(guī)律和爆生裂紋發(fā)育規(guī)律，得出最優(yōu)的聚能爆破炮孔間距。

當炮孔間距為400 mm 和500 mm 時，相鄰炮孔產(chǎn)生的張拉裂紋擴展貫通，相鄰炮孔間形成了完全貫通的張拉裂縫，連孔聚能爆破效果良好。當炮孔間距為600 mm 時，相鄰炮孔產(chǎn)生的張拉裂紋未能擴展貫通就停止發(fā)育擴展，考慮到炮孔施工和爆破成本效益，最優(yōu)炮孔間距為500 mm。效果圖見圖5。

圖4 沁新煤礦9+10 號頂板計算模型

圖5 不同炮孔間距時預(yù)裂封擴展效果

4.2 漸進趨近試驗法確定裝藥量

經(jīng)過現(xiàn)場多次試驗總結(jié)，研究提出了切頂爆破裝藥量漸進趨近法參數(shù)試驗方案，以確定最佳的裝藥量和封泥長度，既保證切縫效果，又保證頂板不損壞。

4.2.1 裝藥量原則

為保護頂板不受爆破切縫的破壞，防止頂板切斷后造成的直接頂安全隱患，應(yīng)當在爆破前超前30 m 對切縫側(cè)實施恒阻錨索+W 鋼帶加固，堅持先加固后切縫的原則。裝藥量應(yīng)當實施動態(tài)調(diào)整，當頂板堅硬時，宜加大藥量，當頂板破碎軟弱時，宜減小藥量，裝藥量宜根據(jù)頂板硬度、完整性等及時調(diào)整，為此需要每50 m 對頂板施工一個窺視孔，探測頂板巖性，及時根據(jù)巖性變化調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量。對于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段，可實時采取隔孔裝藥，或者打密集孔裝藥等方式，同時加強巷內(nèi)支護強度，提高被動切頂支護阻力，實現(xiàn)強制切頂，減小爆破切頂。

4.2.2 預(yù)裂爆破參數(shù)試驗步驟

試驗裝藥量的時候按照理論設(shè)計的藥量的60%開始起步試驗；每次單個聚能管中增加1 卷，逐次增加藥量進行實驗。將每次裝藥爆破后的孔內(nèi)裂縫率進行統(tǒng)計，繪制出裂縫率與藥量之間的關(guān)系曲線，從曲線中找到臨界藥量，見圖6 所示。

從圖6 可看出：裂縫率隨著裝藥量的增加呈現(xiàn)先急劇升高→中部相對穩(wěn)定→后部緩慢增長的三階段規(guī)律特征。顯示了藥量少時，藥柱與空氣柱比值較小時，即軸向不耦合系數(shù)較小時，增加藥量對裂縫擴展效果明顯。當藥柱與空氣柱比較增加到一定程度時，裂縫擴展無明顯增長，說明藥量存在一個對于裂縫發(fā)育的影響存在一個臨界值，即軸向不耦合系數(shù)存在一個臨界值。對不同的巖性進行裝藥量試驗，可以通過曲線繪制找到對應(yīng)的裝藥量臨界值。這些臨界值可作為組合巖層預(yù)裂時不同深度時對應(yīng)巖層位置聚能管裝藥量的控制依據(jù)。比如當切縫孔深度較大，大于5 m 以上的深孔爆破，出現(xiàn)組合巖層的概率非常高，如切縫孔范圍內(nèi)存在砂巖、泥巖、砂泥巖等各不同巖層，即可按照試驗結(jié)果在不同的巖性段，裝不同的藥量，進而實現(xiàn)了裝藥與巖層性質(zhì)之間的匹配，更好地實現(xiàn)裂縫控制，同時降低了裝藥損耗。表2 中列出了K2 灰?guī)r試驗了不同藥量的爆破效果：采用2-2-2-2、3-3-3-3、4-4-4-4、5-5-5-5 裝藥時，裂縫率分別為52 %、64%、83 %、75 %，采用5-5-5-5時，主要是孔內(nèi)塌孔明顯，導(dǎo)致實際主裂縫減小。

炮孔內(nèi)沿軸向的不耦合系數(shù)，即裝藥長度與空氣柱的長度比值，對鉆孔內(nèi)裂縫發(fā)育具有明顯影響，當軸向裝藥不耦合系數(shù)由小增大時，裂縫則隨之增長，但當軸向不耦合系數(shù)超過一臨界值時，主裂縫減小，破碎裂縫明顯增多，如圖6 所示。

圖6 聚能爆破切縫率與藥卷數(shù)關(guān)系

4.3 堅硬灰?guī)r頂板現(xiàn)場參數(shù)試驗

合理的爆破參數(shù)是實現(xiàn)切頂效果的保證。表1經(jīng)過理論計算確定了最大裝藥量，然后按照逐漸增大藥量的方法，設(shè)計了4 種裝藥結(jié)構(gòu)，以通過曲線擬合找到最佳的裝藥量。

表2 9 m 深炮孔爆破預(yù)裂切縫試驗參數(shù)設(shè)計

4.4 爆破預(yù)裂切縫試驗效果

預(yù)裂切縫爆破實施步驟：①沿采空側(cè)煤壁距離煤幫400 mm 處的頂板上用激光打一條切頂線，并采用白漆布設(shè)鉆孔眼位，確保鉆孔眼位位于同一條直線上；②利用專用切頂鉆機，配合55 mm 鉆頭，42 mm 鉆桿施工切頂炮孔，深度9 m，傾角15°，間距500 mm，施工過程中確保炮孔角度一致，誤差不要超過1°，確保預(yù)裂切縫能夠形成一個平面；③單個炮孔4 根1.5 m 長聚能爆破管，每根管子中部集中安裝4 卷35 m×250 mm 煤礦許用三級乳化炸藥，并用鉛鋅絲卡茲固定住，防止炸藥移動，并保證炸藥在豎直狀態(tài)下仍然能緊密結(jié)合，防止拒爆；④每根聚能管中塞入1 根電雷管，單孔采用同一段雷管，并且引線從管體內(nèi)部穿過，嚴謹將引線置于管體外側(cè)，防止送藥時，管子摩擦孔壁導(dǎo)致引線破損或斷裂，造成拒爆現(xiàn)象；⑤安裝完聚能藥包后，采用定向器的炮棍將管子逐根送入孔內(nèi)，送入時每根聚能管之間通過帶有定向功能的連接頭連接，并用膠帶綁扎緊密，防止管間脫開和轉(zhuǎn)動；⑥裝入聚能管藥包后，使用黃土炮泥將孔口填滿，每裝入30 cm 炮土?xí)r要采用炮棍將炮泥搗實，防止出現(xiàn)炮泥被打出破壞頂板和不安全隱患；⑦每個炮孔填塞完炮泥后，采用孔間串聯(lián)的方式，將起爆的炮孔連線接入發(fā)爆器引爆。裂縫展開見圖7。

圖7 頂板炮孔內(nèi)裂縫展開圖（裂縫率85%）

圖8 爆破預(yù)裂切縫與軸向裝藥不耦合系數(shù)關(guān)系曲線

其中：x為軸向裝藥不耦合系數(shù)；y為裂縫長度。

式中：s為預(yù)裂切縫范圍。

當軸向裝藥不耦合系數(shù)為3.348 時，孔內(nèi)裂縫長5 m，可滿足切頂要求，則單個預(yù)裂炮孔內(nèi)裝藥量N可采用下式計算：

由試驗結(jié)果和統(tǒng)計曲線擬合規(guī)律可得最佳炮孔間距為0.5 m，炮孔深9 m，豎直向采空區(qū)偏轉(zhuǎn)15°。最終確定堅硬灰?guī)r頂板預(yù)裂參數(shù)為：單孔內(nèi)裝入4 根1.5 m 長聚能管，每根管子的中部集中放置4 卷250 mm 長炸藥，炮孔封堵長度3 m。

5 結(jié) 論

1）聚能爆破技術(shù)能很好的解決傳統(tǒng)爆破導(dǎo)致的裂縫發(fā)散問題，通過雙向聚能定向預(yù)裂爆破將頂板沿走向切斷形成一個斷裂面，同時又保護了沿空巷道頂板不受破壞。切頂爆破技術(shù)在沿空留巷卸壓中可以不受巖性變化的限制，提供相對穩(wěn)定可靠的切頂卸壓效果，是目前切頂技術(shù)中最可靠的手段。

2）通過先理論計算藥量，后數(shù)值模擬裂縫擴展確定孔間距，最后裝藥量試驗擬合曲線法，可以較準確的確定每種巖性的最佳裝藥量，獲得相對穩(wěn)定的裂縫率。采用理論、數(shù)值仿真、現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方式，可以快速高效地確定裝藥結(jié)構(gòu)，為合理確定裝藥參數(shù)提供了一種可靠有效的途徑。