劉志剛，曹安業(yè)，朱廣安，王常彬，井廣成

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

沖擊地壓是一種需要采取有效措施進(jìn)行治理的巖石破壞動(dòng)力現(xiàn)象。近年來(lái)隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，沖擊地壓的發(fā)生強(qiáng)度和頻度都在增加[1]。各國(guó)研究人員針對(duì)沖擊地壓災(zāi)害治理開(kāi)展了大量研究工作，提出了眾多防治技術(shù)[2-3]，其中爆破卸壓技術(shù)就是一種較為有效的沖擊地壓防治技術(shù)。煤層爆破卸壓可改變煤體性質(zhì)，使其儲(chǔ)能性降低，起到了沖擊地壓防治作用，達(dá)到降低沖擊地壓發(fā)生概率的目的。

影響爆破效果的因素較多，其中裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)爆破能量傳遞、破巖效果等均具有較大影響。楊仁樹(shù)等[4]利用爆炸加載數(shù)字激光動(dòng)態(tài)焦散線(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)不同裝藥結(jié)構(gòu)爆破爆生裂紋動(dòng)態(tài)斷裂效應(yīng)進(jìn)行了分析。徐穎等[5]通過(guò)對(duì)爆炸產(chǎn)生應(yīng)力波破巖特征的分析，給出了更為精確的應(yīng)力波作用下裂隙區(qū)半徑計(jì)算公式。魏明堯等[6]利用數(shù)值模擬方法，分析了卸壓爆破前后圍巖應(yīng)力分布和轉(zhuǎn)移規(guī)律，并結(jié)合電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)采掘現(xiàn)場(chǎng)卸壓效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。高峰等[7]通過(guò)設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)方案，研究了誘導(dǎo)卸荷作用下巖石的力學(xué)性能弱化規(guī)律。Luo[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和野外爆破實(shí)驗(yàn)，對(duì)聚能爆破中爆破孔間距、爆破裂紋擴(kuò)展等參數(shù)進(jìn)行了研究。郭建卿[9]對(duì)液固耦合和不耦合爆破對(duì)孔壁的不同作用荷載進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

上述研究主要是針對(duì)爆破對(duì)巖石的破壞規(guī)律等開(kāi)展研究，但現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓災(zāi)害具有多樣性特點(diǎn)[10-13]，針對(duì)性的防治技術(shù)更具有現(xiàn)實(shí)意義。為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓防治工作，本文中針對(duì)不耦合裝藥爆破特點(diǎn)設(shè)計(jì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)應(yīng)力、聲發(fā)射(acoustic emission, AE)等信息分析爆破對(duì)承壓試件的卸壓效果；對(duì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的掘進(jìn)巷道采取深孔不耦合裝藥爆破進(jìn)行卸壓；并運(yùn)用電磁輻射、煤體應(yīng)力、數(shù)值模擬等方法對(duì)爆破效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 不耦合裝藥結(jié)構(gòu)卸壓爆破效果實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證不耦合爆破對(duì)承壓試樣的卸壓效果，選用水作為充填介質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)承壓試件爆破實(shí)驗(yàn)。

1.1 效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1炸藥選擇及試樣制備

實(shí)驗(yàn)炸藥選用常用RDX炸藥，該炸藥的TNT當(dāng)量因數(shù)約為1.5，根據(jù)相關(guān)研究[14-15]和考慮安全因素，藥量選擇為0.3 g。

根據(jù)相似性原理，采用混凝土試件作為此次實(shí)驗(yàn)的受壓材料，選用細(xì)度為100～200目的石英砂作為骨料，以熟石膏與425R水泥混合物作為膠結(jié)劑來(lái)制作試件。石英砂、水泥、石膏的質(zhì)量比為10∶1∶1.25，水膠質(zhì)量比為0.6∶1。該配比試件的單軸抗壓強(qiáng)度為2.04 MPa，容重為19.02 kN/m3，泊松比為0.2，彈性模量為1.73 GPa。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。同一方法共制作3塊試件：W1、W2、W3。

1.1.2不耦合裝藥爆破卸壓實(shí)驗(yàn)程序

(1) 根據(jù)試件尺寸制備試件，并在試件成型后立即用不透水的薄膜覆蓋表面，在溫度為(20±5) ℃的環(huán)境中靜置1 d，然后拆模，拆模后應(yīng)立即放入溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度為95%以上的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d，之后在試件中部預(yù)留孔內(nèi)按照?qǐng)D1所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝藥，徑向不耦合系數(shù)K=2，選用水作為充填介質(zhì)。

(2) 設(shè)備安裝調(diào)試：將試件置于三軸實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)，如圖2所示，然后將裝置安裝于SANS試驗(yàn)機(jī)承壓板上，調(diào)整有球形座的承壓板，使試樣均勻受載，加載速率設(shè)定為0.8 mm/min，圍壓設(shè)定為1.5 MPa。安裝PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)[16]，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程的聲發(fā)射信息。

(3) 試驗(yàn)機(jī)加載應(yīng)力值接近但不超過(guò)試件抗壓強(qiáng)度。

(4) 引爆內(nèi)置爆破裝置，進(jìn)行爆破。

(5) 記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)信息并描述試樣的破壞形態(tài)。

1.2 不耦合裝藥結(jié)構(gòu)卸壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了3組爆破，并對(duì)3組實(shí)驗(yàn)中軸向應(yīng)力及聲發(fā)射(AE)振鈴計(jì)數(shù)、能量進(jìn)行了歸類(lèi)分析。圖3為三組試樣爆破前后“時(shí)間-應(yīng)力-累加計(jì)數(shù)-能量”曲線(xiàn)。從實(shí)驗(yàn)的“應(yīng)力-時(shí)間”曲線(xiàn)來(lái)看，在達(dá)到試件抗壓強(qiáng)度之前進(jìn)行爆破，爆破后各試件均出現(xiàn)了應(yīng)力降低現(xiàn)象，最大應(yīng)力降低37.8%，這說(shuō)明爆破對(duì)于應(yīng)力集中的試件具有較為明顯的卸壓作用。但之后應(yīng)力又出現(xiàn)了進(jìn)一步上升，說(shuō)明爆破卸壓方法具有一定的時(shí)效性，即爆破卸壓一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象。從曲線(xiàn)上看，在試驗(yàn)機(jī)加載速率不變的情況下，曲線(xiàn)的曲率在應(yīng)力恢復(fù)階段有一定提升，主要因?yàn)楸坪笏槊洃?yīng)力的存在使應(yīng)力恢復(fù)速率有所升高。從聲發(fā)射累加振鈴計(jì)數(shù)及能量來(lái)看，由于爆破鉆孔及試件材料的離散性，所以存在一個(gè)壓密階段，在該階段出現(xiàn)了較多AE事件，壓密階段之后AE計(jì)數(shù)及能量與應(yīng)力曲線(xiàn)吻合度較高，在試件出現(xiàn)較明顯的受壓破裂時(shí)，應(yīng)力曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力降低現(xiàn)象，此時(shí)可以記錄到較為集中的聲發(fā)射信號(hào)，振鈴計(jì)數(shù)與能量對(duì)應(yīng)出現(xiàn)較大增長(zhǎng)，尤其在爆破時(shí)出現(xiàn)了較為明顯的聲發(fā)射振鈴累加計(jì)數(shù)增長(zhǎng)和能量集中現(xiàn)象。可以看出，破裂的發(fā)生與試件應(yīng)力降低、聲發(fā)射事件增多具有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)還可以看出在爆破后試件內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的破碎現(xiàn)象，在上部軸向壓力及圍壓限制下，該破碎區(qū)域雖然已經(jīng)形成，但無(wú)法排出碎塊，進(jìn)而無(wú)法形成有效的卸壓區(qū)域，因此爆破后又出現(xiàn)了應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象。在煤層高應(yīng)力區(qū)域采取爆破卸壓措施時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行大直徑鉆孔將煤體內(nèi)部破碎體排出，以得到持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的卸壓效果。

2 不耦合裝藥結(jié)構(gòu)卸壓爆破工程實(shí)踐

2.1 工程實(shí)踐巷道概況

本次工程實(shí)踐選擇在山東某礦井LW5303軌道順槽，該巷道埋深在982～995 m之間，屬于典型深部開(kāi)采，巷道與LW5302采空區(qū)之間僅有5 m區(qū)段煤柱，而且LW5302工作面受地面村莊壓煤?jiǎn)栴}遺留有寬度為100 m的采空區(qū)煤柱，如圖7所示。受大埋深垂直應(yīng)力、采空區(qū)側(cè)向支承壓力及采空區(qū)遺留煤柱高應(yīng)力等影響，在LW5303軌道順槽掘進(jìn)至圖4所示區(qū)域時(shí)，在巷道迎頭后方1～20 m區(qū)域，通過(guò)鉆屑法與電磁輻射法[17]發(fā)現(xiàn)有煤體應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大煤粉量達(dá)到23 kg/m，最高電磁輻射強(qiáng)度達(dá)到511 mV，而且現(xiàn)場(chǎng)煤炮等動(dòng)壓顯現(xiàn)較為頻繁。

應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)對(duì)巷道安全造成極大影響，為了有效改善此種情況，采取了巷道近場(chǎng)應(yīng)力集中爆破卸壓方法進(jìn)行處理。

2.2 爆破參數(shù)

(1)爆破器材

雷管：3段毫秒延遲電雷管。炸藥：采用煤礦許用三級(jí)乳化炸藥，單支炸藥規(guī)格：直徑27 mm，長(zhǎng)度300 mm，重量200 g，炸藥爆速2 800 m/s，炸藥密度1.1 g/cm3。起爆電源：礦用FD150-200T型發(fā)爆器。

(2)爆破孔參數(shù)

針對(duì)裂隙區(qū)的分析一直為工程爆破研究的重點(diǎn)，尤其在卸壓爆破時(shí)，裂隙區(qū)大小直接影響卸壓效果[18]。按照應(yīng)力波拉伸作用原理計(jì)算裂隙區(qū)半徑為：

rp=(bσd/σt)1/arc=337.23 mm

(1)

式中：rc為炸藥半徑；b=ν/(1-ν)，ν為煤體泊松比，ν=0.39；a為應(yīng)力波衰減指數(shù)，a=2-μ/(1-μ)，μ為煤體的動(dòng)態(tài)泊松比,與應(yīng)變率有關(guān)，一般值取為泊松比ν的0.8 倍；σt為煤體抗拉強(qiáng)度，σt=0.67 MPa；σd為應(yīng)力波引起的初始徑向應(yīng)力，表達(dá)式為：

(2)

式中：D1為爆速；ρ0為炸藥密度；rb為爆破孔半徑；n為壓力增大系數(shù)，8

爆破孔之間的距離合理時(shí)，既能貫通裂隙，起到最佳的卸壓效果，又可以達(dá)到操作簡(jiǎn)便并且不會(huì)對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)過(guò)度破壞。根據(jù)式(1)可得，兩爆破孔之間的裂隙區(qū)寬度為674.46 mm，考慮到驗(yàn)證地點(diǎn)巷道圍巖支護(hù)情況，且煤巖中存在本身裂隙及中間預(yù)裂鉆孔，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)分析，爆破孔間距選擇為2 m。在巷道垂直于煤幫制造直徑為54 mm的爆破孔，高度距底板1.5 m，孔深15 m。

(3)施工排粉預(yù)裂鉆孔

為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)更久的卸壓效果，在2個(gè)爆破孔中間采用氣動(dòng)式架柱鉆機(jī)制造直徑為76 mm的排粉導(dǎo)裂鉆孔，目的有兩個(gè)：(a) 在2個(gè)爆破孔之間引導(dǎo)產(chǎn)生裂隙，增強(qiáng)爆破后的裂隙區(qū)范圍；(b) 爆破后可以及時(shí)排出破碎煤體，釋放碎脹應(yīng)力。爆破孔與導(dǎo)裂孔布置如圖5所示。

(4)裝藥

為了提高爆破孔的利用率，增高應(yīng)力波的動(dòng)壓和爆轟氣體靜壓作用時(shí)間，降低炸藥消耗量并改善爆破的安全性。采用徑向不耦合反向裝藥結(jié)構(gòu)，充填介質(zhì)為水，不耦合因數(shù)K=2?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)LW5303軌道順槽巷幫側(cè)向高應(yīng)力區(qū)域位置為12～14 m，為了改變?cè)搮^(qū)域受載煤體性質(zhì)，使應(yīng)力峰值向深部進(jìn)行轉(zhuǎn)移，需要將該區(qū)域進(jìn)行裝藥爆破。裝藥長(zhǎng)度選擇為4 m，根據(jù)煤礦許用三級(jí)乳化炸藥參數(shù)可知單孔裝藥量為2.6 kg。按圖6所示裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝藥。

(5)起爆

采用礦用FD150-200T型發(fā)爆器對(duì)爆破孔內(nèi)炸藥進(jìn)行引爆。

2.3 卸壓效果現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

在巷道迎頭實(shí)施1次卸壓爆破，巷道左幫(實(shí)體煤幫)距迎頭1～20 m范圍內(nèi)實(shí)施20次卸壓爆破。選擇電磁輻射法、煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)法、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)觀測(cè)法進(jìn)行效果驗(yàn)證。爆破后在該區(qū)域左幫(實(shí)體煤幫)安裝了2個(gè)深度為15 m的鉆孔應(yīng)力計(jì)(初始?jí)毫χ? MPa)，其中應(yīng)力計(jì)1距迎頭3 m，應(yīng)力計(jì)2距迎頭15 m。監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)如圖7～8所示。

從校驗(yàn)情況來(lái)看，經(jīng)過(guò)爆破卸壓處理的工作面其電磁輻射強(qiáng)度顯著下降，最大強(qiáng)度值下降為51 mV，小于預(yù)警值120 mV。煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在爆破后應(yīng)力有一定恢復(fù)趨勢(shì)，這與煤體重新壓實(shí)有一定關(guān)系，但應(yīng)力計(jì)最大應(yīng)力值為5 MPa左右，仍小于預(yù)警值10 MPa。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)煤體破裂響聲、巷道圍巖變形速率等均有減少，這表明此次卸壓爆破工作起到了一定效果。

2.4 卸壓效果數(shù)值模擬驗(yàn)證

結(jié)合LW5303軌道順槽實(shí)際情況，建立卸壓爆破數(shù)值模型，模擬卸壓爆破對(duì)煤體應(yīng)力分布的影響，進(jìn)一步來(lái)檢驗(yàn)卸壓爆破效果。模型網(wǎng)格劃分如圖9所示，在模型中設(shè)計(jì)了一個(gè)爆破孔，設(shè)置了距爆破孔為1.0、1.5、2.0 m三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)動(dòng)載作用在該點(diǎn)位置的相關(guān)信息。爆破孔內(nèi)動(dòng)載波形為諧波的一部分，波形中主要包含了應(yīng)力峰值和作用時(shí)間2個(gè)參數(shù)。按照式(2)可得應(yīng)力峰值為151.59 MPa，作用時(shí)間設(shè)定為2 ms。

圖10為爆破前后鉆孔附近垂直應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出：爆破前，進(jìn)行鉆孔施工后，鉆孔周?chē)a(chǎn)生了較為明顯的應(yīng)力分布影響，鉆孔對(duì)煤體卸壓有一定效果；爆破后，在爆破孔兩側(cè)較近區(qū)域由于爆破出現(xiàn)了小范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與現(xiàn)場(chǎng)破碎區(qū)碎脹應(yīng)力引起的應(yīng)力集中相對(duì)應(yīng)，但在鉆孔兩側(cè)一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力降低區(qū)域，最大應(yīng)力降幅度約為14.3%，卸壓效果明顯。

圖11為距爆破孔1.0、1.5、2.0 m處測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力變化曲線(xiàn)，從圖中可以看出：距爆破孔1.0 m測(cè)點(diǎn)處的垂直應(yīng)力降低點(diǎn)明顯超前于1.5和2.0 m處，而且各處測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)了應(yīng)力波動(dòng)現(xiàn)象，這與動(dòng)載的加載形式有關(guān)，1.0 m測(cè)點(diǎn)處波形尤為明顯；在爆破后應(yīng)力均出現(xiàn)了應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象，1.0 m測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象更明顯，這也說(shuō)明了爆破卸壓容易產(chǎn)生應(yīng)力恢復(fù)，同時(shí)印證了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中出現(xiàn)的應(yīng)力恢復(fù)現(xiàn)象，因此爆破還應(yīng)配合大直徑鉆孔加強(qiáng)卸壓持續(xù)效果。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)室內(nèi)承壓試件的爆破實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爆破后承壓試件有明顯應(yīng)力降低現(xiàn)象，聲發(fā)射信息表明爆破時(shí)會(huì)出現(xiàn)能量與振鈴計(jì)數(shù)的大幅度增加，可以看出破裂的發(fā)生與試件應(yīng)力降低、聲發(fā)射事件增多具有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，由于碎脹應(yīng)力的存在，爆破后試件的應(yīng)力恢復(fù)速率有所增加。

(2)在深部煤礦高應(yīng)力集中巷道中開(kāi)展了深孔水介質(zhì)不耦合爆破現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，爆破孔直徑54 mm，孔深15 m，裝藥量2.6 kg，不耦合因數(shù)K=2，爆破孔間距為2 m，2個(gè)爆破孔之間設(shè)計(jì)有排粉預(yù)裂鉆孔來(lái)增強(qiáng)卸壓效果?，F(xiàn)場(chǎng)爆破結(jié)束后通過(guò)電磁輻射、煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)、礦壓觀測(cè)與數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了卸壓效果檢驗(yàn)。爆破后電磁輻射強(qiáng)度幅值有顯著下降，煤體應(yīng)力在預(yù)警值之內(nèi)，數(shù)值模擬結(jié)果顯示爆破后一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力降低現(xiàn)象，最大應(yīng)力降幅度約為14.3%，表明本次爆破對(duì)緩解巷道應(yīng)力集中情況具有積極效果。

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