定向預(yù)裂爆破技術(shù)在小煤柱沿空掘巷中的應(yīng)用研究

王 佐

（晉能控股裝備集團(tuán)晟泰公司，山西 晉城 048000）

0 引言

隨著煤礦開采技術(shù)的迅猛發(fā)展，開采范圍從淺部發(fā)展至深部，開采強度也在逐年增加，煤炭因?qū)儆诓豢稍偕Y源而逐年減少，因此如何降低煤炭損失量是各煤礦必須面臨的主要問題之一?；诖?，?。o）煤柱開采技術(shù)得以推廣應(yīng)用。但?。o）煤柱巷道將會處于特殊復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中，尤其是在動壓影響區(qū)域，巷道圍巖完整性較差[1]。某些礦井地質(zhì)條件比較復(fù)雜，巷道支護(hù)比較困難，尤其是小煤柱巷道受到采空區(qū)側(cè)向壓力及回采面超前壓力的雙重影響，治理更加困難[2-3]。

針對巷道應(yīng)力環(huán)境改善或巷道控制技術(shù)研究方面，諸多科研工作者開展了不少相關(guān)工作。王炯等[4]基于青龍寺礦小煤柱巷道圍巖壓力大的問題，通過爆破卸壓、錨網(wǎng)索支護(hù)等手段解決了該礦所面臨的問題。別小飛等[5]針對趙固一礦大埋深、高地應(yīng)力條件下實施小煤柱沿空掘巷時巷道變形嚴(yán)重的問題，提出定向預(yù)裂爆破技術(shù)，在根源上解決小煤柱巷道應(yīng)力環(huán)境的問題，現(xiàn)場實施效果良好。郭志彪等[6]針對千米深井動壓巷道現(xiàn)場破壞狀況，找出了其變形的關(guān)鍵原因，采用卸壓及恒阻錨索支護(hù)技術(shù)，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用后，巷道變形明顯改善?；诳刂茋鷰r變形的問題，許多科研工作者通常利用增加支護(hù)密度和支護(hù)強度以及多種方式聯(lián)合支護(hù)的方式抑制巷道變形。

但因不同礦區(qū)生產(chǎn)地質(zhì)條件差異性較大，本文以青洼煤礦實施小煤柱沿空掘巷為研究背景。由于小煤柱受到采空區(qū)側(cè)向壓力及回采面超前壓力的雙重影響，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，容易引起小煤柱破壞，從而造成巷道破壞嚴(yán)重，進(jìn)而增加巷道返修工程量和維護(hù)成本。結(jié)合現(xiàn)場實際狀況，提出以切頂卸壓的手段進(jìn)行治理，理論分析了定向預(yù)裂爆破技術(shù)原理，并在此基礎(chǔ)上開展現(xiàn)場爆破試驗，研究成果將為類似條件下巷道的圍巖控制提供技術(shù)借鑒。

1 工程背景

1.1 工作面概況

青洼煤礦2205 工作面為二采區(qū)首采工作面，開采方式為綜采放頂煤開采，工作面地面標(biāo)高+1 125～+1 217 m，工作面標(biāo)高+921.5～+976.4 m，埋深在208.16～245.26 m 范圍內(nèi)。工作面開采2 號煤層，平均煤厚4.66 m，煤層傾角4.3°～5.4°。煤層為黑色，似金屬光澤，煤質(zhì)較軟，煤中夾0～1 層夾矸。頂?shù)装寰苑凵皫r、泥巖為主，煤層綜合柱狀圖如圖1 所示。

圖1 工作面煤巖層綜合柱狀圖

1.2 小煤柱沿空掘巷情況

圖2 工作面布置示意圖

2 定向預(yù)裂爆破技術(shù)原理及工藝

2.1 定向預(yù)裂爆破技術(shù)原理

定向預(yù)裂爆破技術(shù)主要是利用切頂短臂梁理論，采用爆破的手段將巷道與采空區(qū)上方關(guān)鍵巖層間的應(yīng)力聯(lián)系減弱或切斷，使得采空區(qū)側(cè)懸臂結(jié)構(gòu)面積大幅度減小，改善采空區(qū)側(cè)巷道的應(yīng)力環(huán)境。定向預(yù)裂爆破采用聚能管為載體，將爆轟沖擊波集中在聚能槽兩側(cè)后，聚能槽附近的孔壁受到劇烈的沖擊后出現(xiàn)初始裂紋，因為聚能管爆破的定向集中效果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)爆破，因此聚能槽附近的孔壁裂隙發(fā)育十分明顯，隨后沖擊波慢慢衰減為應(yīng)力波，并與爆生氣體同時影響初始裂紋，裂紋又在靜壓的影響下向爆破孔兩側(cè)深部擴展。聚能爆破與傳統(tǒng)爆破過程基本一樣，只是聚能爆破提高了炸藥的定向爆破壓力，爆破孔兩側(cè)巖石內(nèi)部更易出現(xiàn)貫穿裂隙，其原理如圖3 所示。定向爆破試驗工程中，通常是多個爆破孔同時起爆，爆生氣體準(zhǔn)靜應(yīng)力場在爆破孔間將會形成應(yīng)力疊加效應(yīng)，提高了爆破孔間的拉張作用，充分利用了巖石抗壓強度遠(yuǎn)大于抗拉強度的特性，極易使得裂紋進(jìn)一步擴展。在臨近爆破孔間距適宜的情形下裂縫貫通，出現(xiàn)弱結(jié)構(gòu)。

圖3 定向預(yù)裂爆破技術(shù)原理示意圖

切頂卸壓前后采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)如圖4 所示，切頂后小煤柱巷道圍巖壓力明顯降低，主要體現(xiàn)在小煤柱側(cè)煤體內(nèi)垂直應(yīng)力這一指標(biāo)上。沒有進(jìn)行切頂時，煤柱側(cè)將會承受頂板覆巖自重FG和采空區(qū)懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓力F壓的疊加影響，而F壓是以煤柱為著力點形成的向上的扭轉(zhuǎn)力，同時也形成了對煤柱造成影響的推力F推，因此未切頂?shù)南锏榔鋷筒坑捎陧敯鍓毫?、扭轉(zhuǎn)力影響所出現(xiàn)的水平推力導(dǎo)致巷道變形較大和支護(hù)困難[8]，未切頂時巷道覆巖結(jié)構(gòu)受力狀況如圖4-1所示。實施切頂卸壓后，由于采空區(qū)、煤柱上覆關(guān)鍵巖層被切斷，采空區(qū)懸臂結(jié)構(gòu)消失，小煤柱巷道只受FG的影響，因此小煤柱巷道變形不明顯，切頂后巷道覆巖結(jié)構(gòu)受力狀況如圖4-2 所示。

圖4 切頂巷道與未切頂巷道頂板結(jié)構(gòu)

2.2 切頂卸壓技術(shù)工藝流程

基于定向預(yù)裂爆破技術(shù)原理以及切頂力學(xué)環(huán)境分析，切頂卸壓技術(shù)工藝流程如圖5 所示。工作面開采前在超前一定范圍內(nèi)靠近煤柱幫施工切頂孔，并利用聚能管為載體進(jìn)行定向預(yù)裂爆破，在沿工作面推采方向上形成預(yù)定的切縫線（見圖5-1）；工作面回采過后，采空區(qū)頂板沿切縫線隨采隨落（見圖5-3），為接替工作面巷道掘進(jìn)提供良好的應(yīng)力環(huán)境；工作面回采結(jié)束后，沿采空區(qū)邊緣或留有較小煤柱進(jìn)行掘巷（見圖5-4），小煤柱沿空掘巷巷道形成后或接替工作面，回采期間巷道變形可控，可以達(dá)到安全生產(chǎn)要求，增加了煤炭采出率[9]。

圖5 切頂沿空掘巷工藝流程

3 定向預(yù)裂爆破關(guān)鍵參數(shù)確定

3.1 切頂高度確定

根據(jù)沿空掘巷大、小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性機理，小煤柱巷道屬于小結(jié)構(gòu)范疇。若要改善小煤柱巷道的應(yīng)力環(huán)境，應(yīng)通過卸壓的手段減小上區(qū)段采空區(qū)弧形三角板的懸頂面積，而卸壓的關(guān)鍵是確定合理的切頂高度。合理的切頂高度能夠減弱或切斷采空區(qū)與煤柱上方基本頂巖層之間的力學(xué)傳遞，使得上區(qū)段工作面回采過后采空區(qū)基本頂及時垮落，采空區(qū)側(cè)向支承壓力峰值降低，峰值位置向深部轉(zhuǎn)移，為小煤柱巷道提供良好的應(yīng)力環(huán)境并使其處于應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)。因此合理的切頂高度將會影響切頂效果，影響小煤柱巷道的狀態(tài)。

3.1.1 理論公式計算

相關(guān)研究表明，切斷基本頂巖層可能起到較好卸壓卸壓效果。基本頂厚度經(jīng)驗公式：

式中：dz為基本頂厚度，m；D 為煤層開采厚度，取4.66 m；sa為巖梁觸矸位置的沉降值，取0.2 m；Kz為巖梁觸矸位置冒落巖石的碎漲系數(shù)，中硬巖石一般取1.3～1.5，此處取1.3。將相關(guān)數(shù)值代入公式計算得到dz為16.92 m。

然而，林運娘家屬卻堅持其對林場劃為公益林的情況事先并不知情。蘇碧輝解釋道，由于政府鼓勵造林，承包山地還能領(lǐng)到一定的補助，所以當(dāng)時大家積極性都很高。除伯公科這一片林地外，他們還開墾了另外幾塊林地。前些年雖然的確領(lǐng)到過公益林的補償金，但一直以為是另外一片松樹林的，因為在經(jīng)營伯公科經(jīng)濟(jì)林的20多年間，其從未聽說過這片山林變更為了生態(tài)林，也沒有收到政府下發(fā)的任何相關(guān)通知。

3.1.2 關(guān)鍵層理論計算

結(jié)合2205 工作面附近鉆孔綜合柱狀情況，理論分析工作面頂板覆巖結(jié)構(gòu)運動特征后，裂隙帶巖梁位置即為上覆基本頂斷裂、回轉(zhuǎn)形成時巖梁的位置，按照下式確定進(jìn)入裂隙帶的基本頂巖層：

式中：Hi為自下而上第i 層基本頂巖層的厚度，m；H'i為自下而上第i 層基本頂分層的厚度，m；Ki為基本頂及其附加巖層的巖石碎脹系數(shù)，取1.15～1.33；h 為直接頂厚度，m。

通過計算分析，得到第3 層基本頂巖梁（4 m 厚的粉砂巖）以上巖層為裂隙帶巖層，其下巖層為冒落帶巖層。因此爆破孔垂深應(yīng)在第3 層基本頂巖梁以上。工作面煤層上覆頂板巖層依次為4 m 粉砂巖、3.25 m 泥巖、2.5 m 中粒砂巖、4 m 粉砂巖、0.13 m 煤線、2.7 m 粉砂巖。切頂高度以到達(dá)2.7 m 粉砂巖計算，則為16.58 m，與理論計算15.15 m 相比，取大值，因巷道高度2.7 m，頂板為1.5 m 厚的頂煤，因此綜合確定爆破切頂高度為18.08 m。

3.2 鉆孔直徑和間距

受爆炸應(yīng)力波的影響，裂紋從爆破孔半徑1～2 倍的區(qū)域內(nèi)開始出現(xiàn)并擴展，擴展路徑是沿著徑向和爆破孔中心連線方向，隨爆破孔直徑和單位耗藥量的增加，裂隙發(fā)育進(jìn)一步擴展，可參考如圖6 所示的巖石松散性系數(shù)與爆破孔直徑之間的關(guān)系曲線。

圖6 巖石松散性系數(shù)與爆破孔直徑之間的關(guān)系

由于D 型聚能管直徑為63 mm，并根據(jù)煤層覆巖特性、預(yù)裂爆破經(jīng)驗、鉆機及現(xiàn)場施工條件的情況，確定鉆孔直徑為75 mm，鉆孔間距暫定2 m，后期可據(jù)具體爆破效果適當(dāng)調(diào)整。

3.3 鉆孔角度

研究表明，如果爆破孔偏向煤柱幫或垂直頂板施工，會不利于采空區(qū)頂板垮落，一般采空區(qū)方向傾斜角度要大于5°但不超過15°；如果爆破孔角度傾斜過大時，采空區(qū)側(cè)懸頂長度將會增加，進(jìn)而造成煤柱和頂板受力加大。所以確定爆破孔向回采幫方向傾斜，即傾角α 為10°；同時向切眼方向傾斜，即傾角β為75°。同時鉆孔位置距煤柱幫距離S 不超過0.5 m。爆破鉆孔布置情況如圖7 所示。

圖7 爆破鉆孔布置示意圖

3.4 封孔及裝藥工藝

考慮鉆孔有一定傾角，結(jié)合實際情況，爆破鉆孔長度取19 m。根據(jù)規(guī)定要求在深孔爆破的情況下，下封孔長度要大于孔深的1/3，即封孔長度至少6.3 m，但考慮頂板錨索長度7.3 m，封孔長度應(yīng)超過錨索支護(hù)范圍的1 m，則封孔長度至少為8.3 m，為便于聚能管安裝等操作，設(shè)計裝藥長度10 m，封孔長度9 m。爆破孔內(nèi)采用不耦合間隔的方式進(jìn)行裝藥，為確保孔內(nèi)炸藥不出現(xiàn)瞎炮，采用雙雷管和雙導(dǎo)爆索引爆炸藥，每根導(dǎo)爆索利用瞬發(fā)電雷管起爆，2 個雷管并聯(lián)連接。爆破孔封孔及裝藥結(jié)構(gòu)如圖8 所示。為加快施工效率，提高炮孔封孔速度和封孔質(zhì)量，采用囊袋式快速注漿封孔。

圖8 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

為了驗證切頂效果，現(xiàn)場通過鉆孔窺視、注水試驗、支架工作阻力以及小煤柱巷道變形等方式檢驗爆破切頂效果。

4.1 預(yù)裂效果分析

1）注水試驗?，F(xiàn)場爆破結(jié)束后，向其中一個爆破孔內(nèi)注水，發(fā)現(xiàn)相鄰爆破孔內(nèi)出水量較大，說明爆破后孔與孔之間形成了貫通裂隙。

2）鉆孔窺視試驗。利用窺視儀對切頂孔進(jìn)行窺視，窺視視頻截圖如圖9 所示。

圖9 定向斷裂爆破窺視結(jié)果

從爆破窺視效果可知，能看到孔壁兩側(cè)有裂縫發(fā)育且為對稱發(fā)育；根據(jù)聚能管聚能槽對稱性特征，切頂孔內(nèi)裂縫相互擴展貫通，有利于結(jié)構(gòu)弱面的形成，認(rèn)為孔內(nèi)裂縫呈對稱、連續(xù)發(fā)育特征；切頂孔8～18 m范圍內(nèi)對稱裂縫發(fā)育，裝藥段成縫率達(dá)75%，切頂效果較好。

4.2 支架工作阻力監(jiān)測

根據(jù)2205 工作面支架壓力可知：未爆破段端頭支架平均末阻力3 506 kN，動載系數(shù)平均1.34；爆破段端頭支架平均末阻力4 077 kN，平均動載系數(shù)1.20；爆破段端頭支架平均末阻力較未爆破段有所增大，增大為16.3%；爆破段端頭支架動載系數(shù)較未爆破段有所減小，為未爆破段的89.5%，來壓強度有所降低。

4.3 小煤柱表面位移結(jié)果

由于2205 工作面初采期間進(jìn)行了水力壓裂工程，切頂爆破工作是距切眼80 m 左右開始實施。因此，從22033 小煤柱巷道變形觀測結(jié)果（見圖10）可知：

圖10 小煤柱巷道圍巖變形曲線

1）爆破段頂板下沉量為未爆破段的35.9%；爆破段底鼓量為未爆破段的38.2%；爆破段煤柱側(cè)鼓出量為未爆破段的25.6%；爆破段回采側(cè)鼓出量為未爆破段的34.9%。

2）爆破段相鄰巷道實體煤幫變形量38 mm，煤柱幫鼓出量122 mm，頂板下沉量56 mm，底鼓量368 mm，能夠滿足2203 工作面回采指標(biāo)要求。

3）爆破段相鄰巷道卸壓效果明顯，變形量顯著減小，以往相鄰巷道維護(hù)需要打設(shè)大量的木垛，而爆破段無需支設(shè)木垛。

5 結(jié)論

1）基于現(xiàn)場實際情況，提出以切斷基本頂為主的切頂卸壓技術(shù)，能夠有效改善小煤柱巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，且有效抑制巷道圍巖變形。同時對定向預(yù)裂爆破技術(shù)原理進(jìn)行了理論分析，確定了爆破相關(guān)參數(shù)，爆破孔距煤柱幫0.5 m，爆破孔開孔與煤壁夾角為10°、向采空區(qū)方向傾斜后，鉆孔傾角為75°，鉆孔深度19 m，鉆孔直徑75 mm，鉆孔間距2.0 m。采用囊袋式快速注漿封孔。

2）22051 巷實施爆破切頂后，根據(jù)注水、窺視試驗結(jié)果顯示，預(yù)裂爆破范圍內(nèi)形成對稱裂縫發(fā)育且相互貫通；爆破范圍內(nèi)2205 工作面端頭支架動載系數(shù)較未爆破段有所減小，來壓強度有所降低；在22033小煤柱巷道掘進(jìn)期間，頂?shù)装迨湛s量424 mm，兩幫收縮量160 mm，巷道變形可控，確保了工作面安全生產(chǎn)，同時取得了可觀的經(jīng)濟(jì)社會效益。