，，，

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 會(huì)計(jì)學(xué)院，北京 100070；3.山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司官地煤礦，山西 太原 030000)

2008年，何滿(mǎn)潮院士提出“切頂短壁梁”理論，摒棄了以往的121長(zhǎng)壁采煤法，形成了全新的“110工法”[1，2]開(kāi)采體系。煤炭井工生產(chǎn)切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)由此得以實(shí)現(xiàn)。其技術(shù)原理是通過(guò)人工縮短巷道頂板懸臂梁的長(zhǎng)度，切斷部分巷道頂板的應(yīng)力傳遞路徑，從而減輕回采動(dòng)壓對(duì)采空區(qū)附近煤體的影響。在回采巷道將要形成的采空區(qū)側(cè)運(yùn)用定向預(yù)裂技術(shù)截隔頂板，待工作面回采后，緊鄰切縫線的采空區(qū)矸石沿預(yù)裂位置垮落形成一側(cè)巷幫，原有巷道在采空區(qū)矸石的支撐力以及恒阻大變形錨索的錨拉作用下得以保留，保留的巷道將為下個(gè)工作面繼續(xù)服務(wù)。其中，成功留巷的關(guān)鍵之一便是雙向聚能拉張爆破。本文以官地煤礦12605工作面為工程背景，對(duì)該工作面切頂卸壓[3]過(guò)程中爆破參數(shù)的選擇進(jìn)行分析，結(jié)合理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探索得到適合官地煤礦12605工作面的最優(yōu)爆破參數(shù)，對(duì)保證110工法的安全推進(jìn)有重大意義。

1 工程概況

官地煤礦屬山西省太原市萬(wàn)柏林區(qū)，位于西山煤田。礦井井田含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤14層，礦井年核定生產(chǎn)能力500萬(wàn)t。煤炭主要產(chǎn)品為貧瘦混煤、電精煤、噴吹煤。

12605工作面屬南六采區(qū)2#煤層，1051水平。工作面東北側(cè)為12603工作面，與該工作面相距23m，西南側(cè)為未采區(qū)。煤層平均厚度2.4m，埋深215～416m，煤層傾角5°，平均采高2.4m。正巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為931m，留巷長(zhǎng)度730m。切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為220m，斷面形式為矩形斷面。巷道跟直接頂跟底掘進(jìn)，坡度范圍4°～9°。12605工作面布置圖如圖1所示。煤層上覆巖層依次為0.6m的炭質(zhì)泥巖、6.34m的砂泥巖互層以及2.05m的中粒砂巖，底板巖層為0.6m的泥巖和10.37m的中粒砂巖，該工作面頂板屬于復(fù)合頂板。其工程地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

圖1 12605工作面布置示意圖

圖2 12605工作面工程地質(zhì)剖面圖

2 雙向聚能拉伸爆破技術(shù)

2.1 切縫原理

切頂卸壓沿空留巷[4-9]得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于雙向聚能拉伸爆破技術(shù)的應(yīng)用。聚能預(yù)裂爆破原理如圖3所示。以聚能管的圓心為點(diǎn)O，通過(guò)點(diǎn)O在其沿Z軸方向上存在兩排過(guò)直徑的點(diǎn)狀圓形聚能孔。雙向聚能裝置由一定強(qiáng)度的管材經(jīng)過(guò)特制加工而成，雙向聚能裝置強(qiáng)度在使用過(guò)程中可針對(duì)爆破巖體巖性的差異及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而進(jìn)行調(diào)整。

圖3 聚能爆破原理示意圖

在聚能管裝藥引爆后，爆炸產(chǎn)生的部分應(yīng)力波和爆炸能沿Y軸方向先從聚能孔中釋放，對(duì)該方向上的周?chē)鷰r體[10]造成沖切破壞。同時(shí)其余部分的能力流對(duì)X軸正負(fù)方向形成集中壓力，使得X軸方向上的巖體受到擠壓，而Y軸方向兩側(cè)的巖體卻受到拉力作用，利用巖體耐壓怕拉的特性，巖體最終在聚能孔方向形成了一定深度范圍的裂隙。

以官地礦12605工作面切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采技術(shù)為例，采用雙向聚能爆破預(yù)裂方式在12605主運(yùn)巷頂板與采空區(qū)頂板交接線進(jìn)行預(yù)裂切縫，從而切斷采空區(qū)與巷道之間部分范圍內(nèi)的應(yīng)力聯(lián)系。待工作面推過(guò)后采空區(qū)頂板巖層沿預(yù)裂切縫形成的預(yù)裂面垮落，結(jié)合巷旁支護(hù)技術(shù)形成采空側(cè)巷幫。這樣既解除了留巷的高應(yīng)力威脅，又保證了留巷頂板的完整性，從而達(dá)到成功留巷、安全留巷的目的。

2.2 爆破參數(shù)確定

2.2.1 切縫深度

預(yù)裂切縫深度(H縫)臨界設(shè)計(jì)公式如下：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

式中，H煤為煤層采高，m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為采空區(qū)頂板巖層碎脹系數(shù)，一般為1.3～1.5。

泥巖碎脹系數(shù)1.4，砂巖碎脹系數(shù)1.3，根據(jù)12605工作面頂板巖性分布可知，切頂范圍內(nèi)泥巖占比約40%，砂巖占比約60%，通過(guò)加權(quán)平均計(jì)算得采空區(qū)頂板垮落后巖石碎脹系數(shù)k=1.34。同時(shí)該巷道頂板下沉量不大，且無(wú)明顯底鼓顯現(xiàn)，煤層厚度取2.4m，在保留足夠的安全系數(shù)情況下，切縫深度確定為7m。

2.2.2 切縫角度

切縫角度的選擇是影響留巷頂板穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。垂直頂板切縫情況下，切縫工程量最小。但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致頂板受采空側(cè)影響大。在相互摩擦力、擠壓力的作用下，采空區(qū)頂板垮落困難。同時(shí)巷道頂板產(chǎn)生沉降變形較大，采空區(qū)垮落碎脹的矸石無(wú)法為巷道頂板提供有效的支撐力，不利于巷道頂板的維護(hù)管理。隨著切縫孔與頂板垂線的夾角增大，巷道頂板與采空側(cè)頂板之間的相互影響減小，兩者之間的應(yīng)力傳遞減弱。但是角度繼續(xù)增大，又會(huì)導(dǎo)致鉆孔深度的增加，工程量、工程費(fèi)用的提高。與此同時(shí)，巷道頂板巖層的懸臂端長(zhǎng)度增加，又對(duì)頂板的變形控制帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。因此，合理的切縫角度選擇顯得極為關(guān)鍵。

根據(jù)官地煤礦12605工作面復(fù)合頂板巖性條件及以往切頂卸壓沿空留巷的工程經(jīng)驗(yàn)，在保證采空區(qū)頂板順利垮落，同時(shí)采空區(qū)矸石可以為切頂巷道提供足夠的支撐力情況下，該工程切縫孔布置在巷幫與頂板夾角處，與鉛垂線夾角為15°。頂板預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 頂板預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)示意圖(mm)

2.2.3 切縫孔間距

切縫孔的間距直接決定了爆破切縫的效果，是切頂卸壓環(huán)節(jié)中最為重要的一部分。炮孔間距不宜過(guò)小，間距過(guò)小會(huì)導(dǎo)致工程量的增加。當(dāng)炮孔間距過(guò)大時(shí)，爆轟波無(wú)法貫通兩鉆孔之間的平面。根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，本次切頂卸壓過(guò)程中布置在切縫線上的切縫孔間距確定為500mm。

3 爆破參數(shù)試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

切頂卸壓沿空留巷過(guò)程中使用雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42mm，內(nèi)徑為36.5mm，管長(zhǎng)1500mm。聚能爆破采用三級(jí)煤礦乳化炸藥，炸藥規(guī)格為直徑Φ32mm×200mm，爆破孔口采用炮泥封孔。具體裝藥參數(shù)需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

根據(jù)切縫范圍內(nèi)頂板巖性特征，結(jié)合以往切頂卸壓聚能爆破的工程經(jīng)驗(yàn)采用3種裝藥方式確定最終裝藥爆破方案，三種裝藥方式的切縫強(qiáng)度依次減弱，具體方案見(jiàn)表1。在孔深7m的切縫孔內(nèi)共安裝4根聚能管，聚能管的安裝順序由孔頂?shù)娇椎滓来螢?.5m、1.5m、1.5m、0.5m。裝藥量分別選擇為“4+3+2+1”、“3+3+2+1”、“3+2+2+1”。裝藥順序?yàn)閺目醉數(shù)娇椎?，為防止吹孔，在留有一定的安全系?shù)情況下，炮孔的封泥長(zhǎng)度全部確定為2m。3種爆破方案的詳細(xì)爆破裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1 切縫孔裝藥方案

圖5 聚能爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

爆破后，使用CXK6礦用本安型鉆孔成像儀對(duì)炮孔內(nèi)裂隙情況進(jìn)行窺視。CXK6礦用本安型鉆孔成像儀可以直觀地觀測(cè)到鉆孔內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)構(gòu)造，而且具有將整個(gè)鉆孔進(jìn)行成像并展開(kāi)成平面圖的優(yōu)點(diǎn)，方便后期對(duì)鉆孔內(nèi)裂隙發(fā)育情況進(jìn)行詳細(xì)分析。三種爆破參數(shù)下的鉆孔窺視結(jié)果如圖6所示。

圖6 爆破后裂縫窺視情況圖

1)在“4+3+2+1”裝藥方式下，放炮后炮孔內(nèi)巖層較為破碎，且出現(xiàn)塌孔，在孔底有局部掉頂?shù)那闆r發(fā)生。對(duì)巷道頂板完整性具有一定程度的破壞，不利于后期恒阻錨索的施工，如圖6(a)所示。

2)在“3+3+2+1”裝藥方式下，鉆孔孔內(nèi)裂縫發(fā)育明顯且充分，裂縫率高達(dá)87%。且孔口完好，對(duì)恒阻大變形錨索的安裝施工，以及發(fā)揮恒阻效果不構(gòu)成影響，如圖6(b)所示。

3)在“3+2+2+1”的裝藥方式下，裂縫發(fā)育不明顯，裂縫細(xì)小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出縫率為71%，裂縫率低，不符合設(shè)計(jì)方案要求達(dá)到的爆破效果，如圖6(c)所示。

通過(guò)對(duì)比以上三種方案可以看出，“3+3+2+1”的裝藥方式既可以滿(mǎn)足切縫爆破裂縫率的要求，同時(shí)藥量恰到好處，對(duì)巷道頂板的破壞較小，對(duì)后期切縫側(cè)恒阻錨索的施工不會(huì)帶來(lái)影響。

4 結(jié) 論

1)聚能爆破是切頂卸壓沿空留巷能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道頂板有效切割，在不破壞頂板完整性情況下，切縫面貫穿且處于同一平面。

2)通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，在爆破孔深7m、炮孔間距500mm的情況下，最終爆破裝藥量為“3+3+2+1”，與豎直方向成15°角。

3)裝藥量為“3+3+2+1”的爆破方式下，裂縫率達(dá)到了87%，裂縫發(fā)育明顯，且其余位置頂板完整，完全滿(mǎn)足正常生產(chǎn)需求。