堅(jiān)硬頂板超前深孔預(yù)裂爆破類型及效果評(píng)價(jià)分析

趙志鵬 ，閆瑞兵 ，叢俊余

（1.國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司, 新疆 烏魯木齊 830027；2.北京極道成然科技有限公司, 北京 100190）

0 引 言

堅(jiān)硬頂板完整性好、單軸抗壓強(qiáng)度大、節(jié)理裂隙不發(fā)育，容易積聚的大量彈性能[1-5]，當(dāng)彈性能突然釋放容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害，嚴(yán)重影響工作面正常生產(chǎn)、威脅作業(yè)人員人身安全。堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)一直是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。堅(jiān)硬頂板條件下的沖擊地壓防治[6-8]目前主要采用的工程為堅(jiān)硬頂板弱化卸壓。堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)一直是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)取得了大量有用研究成果，目前弱化的方式有超前預(yù)裂爆破[9-10]、水力壓裂[11-12]、預(yù)裂爆破與水力壓裂耦合作用[13-15]以及同煤集團(tuán)研發(fā)的鏈臂鋸智能切縫技術(shù)[16]。陸菜平等[17]對(duì)堅(jiān)硬頂板誘發(fā)沖擊的微震效應(yīng)進(jìn)行研究，李春睿[18]對(duì)堅(jiān)硬頂板條件淺孔爆破與深孔爆破的對(duì)比研究以及深孔爆破炮孔合理參數(shù)的研究，何江等[19]對(duì)堅(jiān)硬頂板條件下沖擊地壓誘發(fā)機(jī)理開展研究以及對(duì)沖擊進(jìn)行分類，李新元等[20]對(duì)堅(jiān)硬頂板斷裂過(guò)程中的能量積聚和釋放進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)普遍采用頂板超前深孔預(yù)裂爆破[21-24]方法，應(yīng)用廣泛和成熟，但在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，常遇到爆破順序及時(shí)間不同步的問(wèn)題，不同類型的前超前深孔預(yù)裂爆破順序?qū)こ绦Ч挠绊憽２煌谋品桨?，引起的煤巖體裂隙發(fā)育在采場(chǎng)分布等影響。本文通過(guò)建立5 種超前深孔預(yù)裂爆破類型，采用數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，重點(diǎn)對(duì)煤巖體應(yīng)力聚集區(qū)位置及轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行分析，為確定最優(yōu)超前深孔預(yù)裂爆破順序，提供依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工作面概況

寬溝煤礦B2煤層的I010203 工作面東至運(yùn)輸上山保護(hù)煤柱，南至井田邊界，北至I010201 工作面，之間留設(shè)煤柱15 m；工作面運(yùn)輸帶水平標(biāo)高為+1 318 m，工藝巷水平標(biāo)高為+1 339 m，回風(fēng)巷水平標(biāo)高為+1 365 m；工作面對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+1 612～+1 660 m。I010203 工作面傾斜長(zhǎng)度192 m，可采走向長(zhǎng)度1 469 m，采高3.2 m，放煤厚度6.3 m，工作面傾角平均14°。I010203 工作面上部為已開采的I010405、I010403 工作面采空區(qū)。I010203 工作面上部0～740 m 為I010405 工作面采空區(qū)，如圖1 所示。

圖1 工作面布置Fig.1 Arrangement of working face

根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，最大主應(yīng)力范圍為：17.2～18.9 MPa；中間主應(yīng)力范圍：8.5～10.9 MPa；最小主應(yīng)力范圍：5.50～7.37 MPa；最大主應(yīng)力方向?yàn)?84°左右，主應(yīng)力與水平面的夾角皆為近水平方向（-9.9°～3.4°）。根據(jù)B2煤層沖擊傾向性鑒定結(jié)果，煤層平均單軸抗壓強(qiáng)度為25.87 MPa，具有弱沖擊傾向性；細(xì)砂巖直接頂，平均厚度19.3 m，單軸抗壓強(qiáng)度平均115.25 MPa，具有強(qiáng)沖擊傾向性，堅(jiān)硬頂板厚度大、強(qiáng)度高、整體性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)致密，構(gòu)造弱面和節(jié)理裂隙不發(fā)育，井下開采時(shí)頂板來(lái)壓強(qiáng)度高。B2煤層具體賦存見表1。

表1 頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)Table 1 Mechanical properties of roof and floor

2 堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破參數(shù)

I010203 工作面頂板動(dòng)載荷控制采取深孔預(yù)裂爆破的方法，計(jì)算分析頂板預(yù)裂爆破合理處理高度、確定爆破孔排距及炮孔布置方式。

2.1 堅(jiān)硬頂板爆破預(yù)裂高度

根據(jù)關(guān)鍵層理論[25]計(jì)算可知，工作面上覆19.3 m的細(xì)砂巖為關(guān)鍵層。已知I010203 工作面采高Hc按平均為10.4 m，工作面設(shè)計(jì)采出率k取93%，設(shè)頂板崩落厚度為Hx，巖石碎脹系數(shù)為 ξ=1.25，冒落頂板能完全充填采空區(qū)，滿足如下公式：

根據(jù)工作面回采期間微震事件監(jiān)測(cè)，如圖2 所示，頂板運(yùn)動(dòng)及破壞高度特征推斷如下：

圖2 微震監(jiān)測(cè)覆巖破壞范圍Fig.2 Failure range of overburden monitored by microseismic

1）I 為垮落帶范圍，其高度為43 m，表現(xiàn)為微震事件分布密集且分層集中，斷裂等高能事件發(fā)生在該范圍。

2）II 為破壞充分發(fā)展范圍，其高度為68 m，表現(xiàn)為微震事件分布不集中，自下而上逐漸較少，主要以低能事件為主。

3）III 為破壞未充分發(fā)展范圍，其高度為101 m，表現(xiàn)為微震事件分布少，巖層有活動(dòng)但未充分發(fā)展。

4）IV 為相鄰采空區(qū)垮落帶形態(tài)。

綜上所述，按照理論計(jì)算冒落高度38.7 m，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析覆巖主要破裂發(fā)展高度43 m 以內(nèi)。同時(shí)，由于上覆巖層存在多層普氏系數(shù)f＞10 的巖層，其垮冒困難，無(wú)法確定采空區(qū)覆巖是否觸矸，可能存在局部空洞懸頂?shù)那闆r。現(xiàn)場(chǎng)較強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)表明，動(dòng)載頻繁參與頂板活動(dòng)。因此確定I010203 工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破處理高度定為40 m。

2.2 炮孔間距

采用深孔爆破弱化頂板，一般炮孔直徑在50～94 mm。當(dāng)炮孔直徑較小時(shí)，裝藥比較困難，而且爆破影響范圍與炮孔爆破直徑成正比關(guān)系，炮孔孔徑小爆破效果較差，但當(dāng)炮孔直徑太大時(shí)，封泥困難，會(huì)影響爆破效果。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及設(shè)備配置，深孔爆破炮孔直徑選Φ94 mm。

炸藥爆炸后，從爆源向外依次形成壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)，炮孔爆破后各區(qū)分布示意如圖3 所示。計(jì)算爆破作用下產(chǎn)生的裂隙區(qū)范圍，可以確定合理的炮孔間距。由于爆破是在無(wú)自由面情況下進(jìn)行的，不耦合裝藥時(shí)，按爆炸應(yīng)力波計(jì)算卸壓爆破的裂隙區(qū)范圍。

圖3 炮孔爆破后各區(qū)分布示意Fig.3 Sketch map of distribution of each zone after hole blasting

不耦合裝藥爆破，作用于孔壁上的徑向應(yīng)力峰值，即初始沖擊壓力為Pr；炮孔周圍爆破后煤層的裂隙區(qū)半徑R[26]為：

式中：ρe為炸藥密度，取1.27×103kg/m3；D為爆速4 400 m/s；dc、db分別為炸藥和炮孔直徑，取?80 mm和?94 mm；n為爆生氣體碰撞巖壁時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力增大倍數(shù)，n＝8～12，取10；b為巖石的泊松比，取0.25；σt為抗拉強(qiáng)度，取7.48 MPa；a為衰減指數(shù)，取1.3；rb為炮孔半徑，取47 mm。

根據(jù)上述頂板的力學(xué)參數(shù)和3 號(hào)乳化炸藥性能參數(shù)，得到初始沖擊壓力Pr=11 678 MPa、炮孔周圍爆破后裂隙區(qū)半徑4.65 m。

根據(jù)炮孔排距理論公式：

式中：m為鄰近系數(shù)，取3；w為最小抵抗線，根據(jù)炮孔直徑取2.5～4.0。鉆孔直徑94 mm 時(shí)，孔排距s=7.5～12 m。

綜上炮孔周邊爆破后圍巖裂隙區(qū)半徑計(jì)算和理論計(jì)算，炮孔間距取10 m，后續(xù)施工過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可進(jìn)一步優(yōu)化爆破炮孔間距。

2.3 爆破孔布置方式

I010203 工作面在超前30 m 進(jìn)行頂板深孔預(yù)裂爆破，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板條件、關(guān)鍵層位置、爆破巖層層位等綜合確定，開孔位置選擇在巷道肩部位置附近，炮孔采用扇形布置，分別從上I010203 工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷、工藝巷施工爆破工程，爆破孔每排施工16 個(gè)，排距10 m，爆破孔最大孔深49 m，最小孔深31 m，平均孔深40 m，封孔長(zhǎng)度平均15 m，最大仰角81°，最小仰角12°，扇形爆破孔平均夾角13°。具體布置如圖4 所示。

圖4 超前深孔預(yù)裂爆破Fig.4 Advanced deep hole presplitting blasting

3 爆破方案

3.1 超前深孔預(yù)裂爆破方案

現(xiàn)分5 種爆破方案分別為①“一字型”：運(yùn)輸巷長(zhǎng)度＝工藝巷長(zhǎng)度＝回風(fēng)巷長(zhǎng)度，如圖5a 所示；②“正斜一字型”：運(yùn)輸巷長(zhǎng)度＞工藝巷長(zhǎng)度＞回風(fēng)巷長(zhǎng)度，如圖5b 所示；③“反斜一字型”：運(yùn)輸巷長(zhǎng)度＜工藝巷長(zhǎng)度＜回風(fēng)巷長(zhǎng)度，如圖5c 所示；④“正三角型”：運(yùn)輸巷長(zhǎng)度＜工藝巷長(zhǎng)度＞回風(fēng)巷長(zhǎng)度，如圖5d 所示；⑤“反三角型”：運(yùn)輸巷L(fēng)長(zhǎng)度工藝巷長(zhǎng)度＜回風(fēng)巷長(zhǎng)度，如圖5e 所示。

圖5 超前深孔預(yù)裂爆破區(qū)域類型Fig.5 Zone type of advanced deep-hole presplitting blasting

3.2 數(shù)值模擬對(duì)比不同方案裂隙發(fā)育度

采用塊體動(dòng)力學(xué)軟件GDEM-BlockDyna，基于有限、離散單元法耦合實(shí)現(xiàn)的從連續(xù)變形到破裂運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)全過(guò)程模擬的數(shù)值分析軟件，其核心為基于拉格朗日方程的連續(xù)－非連續(xù)單元方法(continuous discontinuous element method，CDEM)。Block-Dyna 能夠很好的描述高地應(yīng)力下巖體變形破壞的非線性力學(xué)行為，采用顯式計(jì)算方法求解非線性、動(dòng)態(tài)、病態(tài)的非穩(wěn)定問(wèn)題，系統(tǒng)失穩(wěn)后也可以給出任意時(shí)刻系統(tǒng)的宏觀表現(xiàn)形式。采用朗道爆炸模型實(shí)現(xiàn)了爆炸作用力的精確計(jì)算，該模型的輸入?yún)?shù)包括裝藥密度，炸藥爆速、爆熱及點(diǎn)火點(diǎn)位置。通過(guò)塊體邊界及內(nèi)部的斷裂，可模擬巖爆孕育的漸進(jìn)破壞全過(guò)程[27]。

依據(jù)寬溝煤礦工作面寬度尺寸，建立了工作面超前預(yù)裂爆破作用下裂隙發(fā)育變形數(shù)值模擬三維計(jì)算模型，針對(duì)煤體設(shè)計(jì)模型尺寸長(zhǎng)×寬×高為240 m×192 m×54.7 m，三邊及底部固支邊界條件，炮孔工作面100 m，煤體靜力計(jì)算采用Mohr-Coulomb 脆性斷裂本構(gòu)，動(dòng)力學(xué)計(jì)算將上階段計(jì)算位移、速度進(jìn)行清零，將位移約束和應(yīng)力邊界更改為黏性邊界條件，目的是在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)，黏性邊界會(huì)將傳遞至此的應(yīng)力波進(jìn)行吸收，以避免應(yīng)力波的虛假反射。如圖6 所示。煤巖體物理力學(xué)特征參數(shù)見表2，乳膠基質(zhì)炸藥特征參數(shù)見表3。

圖6 數(shù)值模擬模型Fig.6 Numerical simulation model

表2 煤體物理力學(xué)特征參數(shù)Table 2 Physical and mechanical characteristic parameters of coal

表3 乳膠基質(zhì)炸藥特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of emulsion matrix explosives

3.3 爆破效果分析

煤體爆破后，在沖擊波影響下，炮孔周邊及工作面出現(xiàn)明顯的裂隙，對(duì)頂煤的冒放性及頂板的垮落有明顯的促進(jìn)作用，分析對(duì)比5 種爆破類型煤體裂隙度發(fā)育情況，得出最優(yōu)方案。

3.3.1 爆破整體效果分析

如圖7 所示，分別為5 種爆破類型產(chǎn)生的煤體裂隙圖，工作面一側(cè)為采空區(qū)設(shè)置的自由邊界，因此裂隙發(fā)育偏向工作面一側(cè)。由于B2 及B3 煤層煤體參數(shù)強(qiáng)度等級(jí)低，應(yīng)力傳遞向著強(qiáng)度低的方向傳播，導(dǎo)致在B2 及B3 煤層破碎范圍明顯大于巖體內(nèi)部。巖體內(nèi)裂隙擴(kuò)展最大范圍為37 m，與理論值29.3 m 較為接近。

圖7 5 種爆破類型裂隙Fig.7 Comparison of fracture degree of five blasting types

3.3.2 破碎度分析對(duì)比

模型整體體積為2.52×106m3，軟件塊體總破壞度（gv_block_broken_ratio）計(jì)算原理為出現(xiàn)過(guò)塑性就計(jì)算在內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)出模型塊體總破壞度計(jì)算得出5種方案的爆破裂隙演化發(fā)展情況如圖8 所示，0、0.2、0.4 s 分別為3 個(gè)階段點(diǎn)火時(shí)間，待裂隙發(fā)展穩(wěn)定后按前文排列順序分別為2.60×105、2.62×105、2.63×105、2.62×105、2.71×105m3?！耙蛔中汀薄罢币蛔中汀薄胺葱币蛔中汀薄罢切汀绷严栋l(fā)育變化值在3 000 m3，區(qū)間整體變化不大，“反三角型”由于中間工藝巷較為靠近工作面自由面，裂隙發(fā)育度高，最終爆破裂隙體積均顯著高于其他4 種爆破類型。

圖8 破碎體積演化Fig.8 Broken volume growth diagram

4 現(xiàn)場(chǎng)工程檢驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證5 種爆破方案的優(yōu)劣，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)了3 種爆破方案，分別為類型I“反三角型”，如圖9a所示；類型II“一字型”，如圖9b 所示；類型III“正斜一字型”，如圖9c 所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)工程檢驗(yàn)方案Fig.9 Field engineering inspection scheme

4.1 不同爆破類型煤巖層活動(dòng)特征

“反三角型”。對(duì)比爆破前后一定時(shí)間段，微震事件發(fā)生分布圖。表明爆破后，爆破區(qū)域的整體微震事件減少，圖中1 區(qū)微震事件明顯降低，預(yù)裂爆破降低了爆破區(qū)的應(yīng)力集中程度，如圖10a、圖10b所示。

圖10 不同工程類型爆破前后頂板微震事件變化Fig.10 Variation of roof microseismic events before and after blasting in different engineering types

“一字型”。對(duì)比爆破前后一定時(shí)間段，微震事件發(fā)生分布圖。爆破區(qū)域煤體應(yīng)力降低程度不明顯，但I(xiàn)-4 區(qū)的周邊＞104J 事件減少，表明爆破改變了該區(qū)域應(yīng)力集中程度，如圖10c、圖10d 所示。

“斜一字型”。對(duì)比爆破前后一定時(shí)間段，微震事件發(fā)生分布圖。微震事件向運(yùn)輸巷區(qū)域轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致運(yùn)輸巷I-4 爆破區(qū)域前后出現(xiàn)應(yīng)力集中，并引起＞105J 事件發(fā)生，表明頂板爆破可以使煤體應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，如圖10e、圖10f 所示。

5 結(jié) 論

1）確定了堅(jiān)硬頂板條件下深孔預(yù)裂爆破參數(shù)，頂板處理高度40 m，炮孔間距10 m，開孔位置于巷道肩部，呈扇形布置。

2）采用數(shù)值模擬，分析對(duì)比不同方案裂隙度發(fā)育情況，“反三角型”爆破優(yōu)于其他爆破類型。

3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐類型I“斜一字型”進(jìn)一步加劇非爆破區(qū)域內(nèi)微震事件聚集區(qū)的煤體應(yīng)力集中程度和頂板活動(dòng)強(qiáng)度，大能量事件的發(fā)生頻次增加；類型II“一字型”能夠起到降低非爆破區(qū)域內(nèi)微震事件聚集區(qū)的煤體應(yīng)力集中程度的效果，但對(duì)聚集區(qū)的消除和轉(zhuǎn)移效果不明顯；類型III “反三角型”有效降低爆破區(qū)域和非爆破區(qū)域的頂板活動(dòng)強(qiáng)度和煤體應(yīng)力集中程度，大能量事件的發(fā)生頻次降低?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果與數(shù)值模擬結(jié)果相符。

4）通過(guò)分析表明，類型III“反三角形”爆破類型為最優(yōu)超前深孔預(yù)裂爆破類型，超前深孔預(yù)裂爆破范圍覆蓋聚集區(qū)，能夠有效降低聚集區(qū)的應(yīng)力集中程度。