王治文，陸銀龍，吳秉臻,3，郭 鵬,3

(1.山西煤炭進出口集團左云韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 左云 032000；2.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

堅硬頂板巖體強度高、厚度大、整體性強、節(jié)理裂隙少、承載能力強，在煤層開采后易大面積懸露而不發(fā)生垮落?，F(xiàn)場礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，堅硬頂板的初次來壓步距一般大于40 m[1]。當堅硬頂板發(fā)生突然斷裂垮落時，會造成礦山壓力能量的集中釋放，導致工作面短時間內(nèi)壓力劇增，極易形成颶風和沖擊，對工作面回采造成極大威脅[2]。為了解決此類問題，需要對堅硬頂板進行弱化以減小頂板來壓步距，工程上一般采用深孔預裂爆破的方式進行人工強制放頂。進行深孔預裂爆破的一般步驟為：工作面推進→兩巷超前打爆破孔→進行預裂爆破。這種方法不影響工作面的正常生產(chǎn)，隨著工作面的推進，采空區(qū)懸頂面積增大，堅硬頂板會在地應力與自重作用下在炮孔周圍的薄弱帶發(fā)生破斷，進而改變頂板的來壓步距。

大量的工程實踐表明[3-4]，堅硬頂板的深孔預裂爆破效果不僅取決于炸藥的裝藥量，而且還與爆破孔的布置方案與參數(shù)(如爆破孔深度、爆破孔直徑、爆破孔位置等)密切相關。目前，國內(nèi)外許多學者已針對不同裝藥量影響下的爆破影響范圍及爆破效果開展了大量研究[5-6]，但是有關爆破孔布置方案與參數(shù)對堅硬頂板預裂弱化效果影響的相關研究尚不夠深入。

為此，本文以山西某礦厚煤層堅硬頂板綜放工作面的具體工程地質(zhì)條件為背景，在對巖體預裂爆破后的力學特性分析的基礎上，利用FLAC3D軟件建立堅硬頂板深孔預裂爆破三維數(shù)值計算模型，研究了不同的爆破孔深度、爆破孔距開切眼距離等關鍵參數(shù)對堅硬頂板初次來壓的影響規(guī)律，優(yōu)化了堅硬頂板深孔預裂爆破方案與參數(shù)，并進行了現(xiàn)場工程實踐。

1 工程地質(zhì)概況

山西某礦22205綜放工作面地面標高為+1 480～+1 520 m，井下標高為+1 255～+1 300 m，平均埋藏深度200 m。工作面走向長878.4 m，傾向長150 m，面積89 100 m2?；夭擅簩訛?2號煤層，煤層顏色為黑色，半亮型煤為主，暗煤次之，夾矸為灰色、塊狀，含高嶺質(zhì)、節(jié)理發(fā)育的泥巖。煤層厚度10.3～12.7 m，平均厚度11.5 m，煤層傾角2°～8°，煤層結(jié)構(gòu)復雜。工作面老頂為砂巖及砂礫巖，厚度4.2～26.9 m，整體性好，賦存穩(wěn)定，強度高，屬于堅硬頂板。 22205綜放工作面頂?shù)装鍘r性特征見表1。

表1 某礦22205綜放工作面頂?shù)装鍘r性特征

根據(jù)相鄰22203綜放工作面的現(xiàn)場礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，預計22205綜放工作面回采后頂板初次跨落步距可達60～70 m，在回采過程中極易造成大面積懸頂，頂板來壓時可能會引起強沖擊風暴，對作業(yè)人員及工作面設備設施造成沖擊，存在極大的安全隱患。因此，為了保證22205綜放工作面正常安全回采，考慮采用深孔預裂爆破技術對22205綜放工作面堅硬頂板進行預裂弱化處理，以減小頂板初次來壓步距。

2 巖體預裂爆破后的力學參數(shù)弱化分析

2.1 巖體爆破弱化原理

巖體預裂爆破后的損傷主要是由于爆炸應力波的作用造成的。隨著炸藥在巖體中爆炸，在爆破孔中心處產(chǎn)生爆炸沖擊波，當沖擊波沿著巖體介質(zhì)傳播時不斷衰減演變成應力波，應力波再逐漸變成地震波，最后地震波衰減至零完全被巖體吸收[7-8]。

對于深孔預裂爆破，一般采用柱狀裝藥的方式使巖體形成柱面波并向外傳播，由于巖石的抗拉強度遠小于其抗壓強度，爆破后巖體會沿徑向產(chǎn)生裂隙產(chǎn)生拉伸破壞，爆破孔周圍的破壞區(qū)域呈圓柱狀[9-11]?？紤]當爆破范圍以爆破孔為中心可在空間上分為三個區(qū)域，即空腔區(qū)、破碎區(qū)、裂隙區(qū)，如圖1所示。其中，空腔區(qū)和破碎區(qū)受強烈沖擊作用，此區(qū)域內(nèi)的巖體受粉碎性破壞，范圍一般為2～3倍爆破孔直徑；破碎區(qū)之外為裂隙區(qū)，其范圍一般為爆破孔直徑的2～6倍。

圖1 爆破孔周圍分區(qū)

Fig.1 Zones around blast hole

2.2 基于Hoek-Brown強度準則的爆破區(qū)巖體力學參數(shù)弱化

Hoek-Brown強度準則是Hoek等提出的關于巖體非線性破壞的經(jīng)驗準則。已有研究表明[12-14]，巖體爆破影響區(qū)域的力學參數(shù)(包括黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及抗拉強度σt等)可以利用H-B準則來計算，見式(1)～(3)。

(1)

c=

(3)

式中：s、a為材料常數(shù)；σci為單軸抗壓強度；σ3n可由σci以及最小主應力的最大值導出；mb為完整巖石的巖性系數(shù)的削減值[15-16]。

利用式(1)～(3)可以估算得到22205綜放工作面堅硬頂板預裂爆破后爆破影響區(qū)的巖體力學參數(shù)范圍，內(nèi)摩擦角φ為20°～30°，黏聚力c為0.55～0.80 MPa，抗拉強度σt為0.4～0.5 MPa。

3 堅硬頂板深孔預裂爆破參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值計算模型的建立

利用FLAC3D軟件建立22205綜放工作面的三維數(shù)值計算模型(圖2)，模型總體尺寸為300 m×150 m×60 m。模型共分為6層，巖層傾角為5°，可近似認為是水平巖層。模型四周、底部邊界均為固定法向位移，模型上邊界施加上覆巖層自重載荷，大小為5 MPa。巖層本構(gòu)關系采用Mohr-Coulomb模型，爆破區(qū)域的巖石力學參數(shù)的范圍由式(1)～(3)計算得出。

22205綜放工作面堅硬頂板的預裂爆破孔考慮布置在工作面切眼中部以及兩側(cè)順槽中(圖2)。圖2中，D為爆破孔距開切眼煤壁的距離，H為爆破孔深度，L為工作面推進距離。為了研究爆破孔布置參數(shù)對堅硬頂板弱化效果的影響，建立了5種數(shù)值模擬方案(表2)，研究不同爆破參數(shù)對頂板初次破斷特征的影響規(guī)律。

圖2 22205綜放工作面堅硬頂板預裂爆破的數(shù)值計算模型

Fig.2 Numerical model of presplitting blasting of hard roof in 22205 fully mechanized top coal caving face

表2 數(shù)值模擬方案

3.2 未爆破時堅硬頂板初次來壓規(guī)律

圖3為未爆破時工作面推進30 m、40 m、50 m、60 m時的垂直應力分布云圖。由圖3可知，當工作面推進30 m時，在工作面煤壁前8 m頂板位置出現(xiàn)了應力集中；隨著工作面繼續(xù)推進(L=40 m、50 m)，工作面煤壁前方形成了更加明顯的應力集中；但是，當工作面推進至60 m后，工作面煤壁前方應力集中范圍減小，應力峰值位置向煤壁后方(采空區(qū)上方)頂板轉(zhuǎn)移，意味著此時采場頂板發(fā)生了破壞。

圖3 未爆破時工作面推進過程中的垂直應力分布云圖

Fig.3 Vertical stress distribution around working face without presplitting blasting

圖4 未爆破時工作面推進過程中煤層上方5 m處頂板中主應力差的變化曲線

Fig.4 Variation of the principal stress difference in the roof 5 m above the coal seam without presplitting blasting

巖石力學研究表明，最大主應力與最小主應力之差Δσ是判斷巖體破壞狀態(tài)的一個重要指標。圖4為未爆破時工作面推進不同距離時(L=10 m、30 m、50 m、70 m)煤層上方5 m處頂板的主應力差的變化曲線。其中，Δσ0表示初始狀態(tài)下頂板巖體同一點的主應力差。由圖4可知，當工作面推進一定距離后，采空區(qū)前后方總是存在一個高應力區(qū)，而采空區(qū)上方則為低應力區(qū)。這意味著隨著工作面推進，頂板巖體上任意一點都要經(jīng)過先增壓后卸壓的過程。隨著工作面推進距離的增大，工作面煤壁前方頂板的高應力區(qū)的峰值增加，范圍增大。但是，當工作面推進距離達到60～70 m時，工作面煤壁前方頂板高應力區(qū)向工作面后方轉(zhuǎn)移。由此可以推斷，采場頂板破斷呈現(xiàn)“O-X”型，即先在頂板四周形成“O”型破壞，然后沿頂板中央長邊裂縫延伸貫通，形成“X”型破壞[17]。

圖5為未爆破時工作面推進過程中的頂板塑性區(qū)分布圖。由圖5可知，當工作面推進30～40 m時，采空區(qū)上方偽頂、直接頂發(fā)生破壞；當工作面推進50 m時，老頂開始發(fā)生破壞，塑性區(qū)分布在頂板四周及中部(類似于“O-X”型破壞)；當工作面推進至60 m時，老頂發(fā)生大面積破斷(即老頂初期來壓)。綜合上述分析可以預計，22205綜放工作面堅硬頂板初期垮落步距可達60～70 m，因此需要對頂板進行預裂爆破處理，以減少懸頂面積，確保工作面正常安全生產(chǎn)。

3.3 預裂爆破參數(shù)對堅硬頂板初次來壓的影響規(guī)律

圖6為不同的爆破孔距開切眼的距離影響下的采場周圍垂直應力分布規(guī)律(工作面推進40 m)。由圖6可知，頂板進行預裂爆破處理后，最大的垂直應力分布在爆破孔的附近。

圖5 未爆破時工作面推進過程中的頂板塑性區(qū)分布

Fig.5 Distribution of plastic zone of the roof during advancement of working face without presplitting blasting

圖6 不同爆破孔距開切眼距離對采場周圍垂直應力分布的影響規(guī)律(L=40 m)

Fig.6 Influence of the difference distance between the blasting hole and the cutting hole on vertical stress distribution around stope (L=40 m)

圖7 不同爆破孔距開切眼距離影響下頂板主應力差隨工作面推進距離變化曲線

Fig.7 Influence of the distance between the difference blasting hole and the cutting hole on the variation of principal stress difference in the roof with advancing distance of working face

圖7為不同爆破孔距開切眼的距離影響下頂板爆破孔周圍(切眼處)的主應力差隨工作面推進距離的變化曲線。由圖7可知，當工作面推進相同距離時，未實施預裂爆破前頂板的主應力差主應力差明顯小于預裂爆破后的主應力差，這是因為實施預裂爆破后在爆破孔周圍產(chǎn)生了應力集中而造成的。因此，預裂爆破后的堅硬頂板相比未爆破的頂板更容易發(fā)生破斷。進一步比較不同爆破孔距開切眼距離的影響可以發(fā)現(xiàn)，隨著不同爆破孔距開切眼距離的增大，頂板爆破孔周圍(切眼處)的主應力差逐漸減小，意味著隨著爆破孔距開切眼距離的增大，預裂爆破對堅硬頂板弱化的效果逐漸減弱。

圖8和圖9為不同的爆破孔深度影響下的采場頂板塑性區(qū)分布規(guī)律(工作面分別推進30 m和50 m時)。由圖8和圖9可知，在工作面推進至30 m時，采用爆破孔深度為10 m和20 m方案的老頂已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，這表明爆破孔深度越大，老頂越早發(fā)生破壞。當工作面繼續(xù)推進至50 m時，爆破孔深度越深，老頂?shù)募羟衅茐姆秶酱蟆?/p>

圖10為不同的爆破孔深度影響下頂板破壞高度隨工作面推進距離的變化曲線。由圖10可知，隨著工作面推進頂板破壞高度呈指數(shù)形式快速增加，且爆破孔深度越大，頂板破壞速率越快，破壞高度越高。這表明隨著爆破孔深度增大，預裂爆破對堅硬頂板的弱化效果顯著增強，進而減小頂板初次來壓步距。

3.4 最佳預裂爆破方案選擇

通過以上數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在工作面兩條順槽以及切眼處實施頂板深孔預裂爆破，可以有效地減小頂板的初次來壓步距。表3統(tǒng)計了數(shù)值模擬得到的不同預裂爆破方案下頂板的初次來壓步距范圍。綜合比較5種方案可以發(fā)現(xiàn)，方案1和方案2的頂板初次來壓步距最小，是比較合適的方案。

圖8 不同爆破孔深度對頂板塑性區(qū)分布的影響(L=30 m)

Fig.8 Influence of the difference depth of the blasting hole on the distribution of plastic zone in the roof (L=30 m)

圖9 不同爆破孔深度對頂板塑性區(qū)分布的影響(L=50 m)

Fig.9 Influence of the difference depth of the blasting hole on the distribution of plastic zone in the roof (L=50 m)

圖10 不同的爆破孔深度影響下頂板破壞高度隨工作面推進距離變化曲線

Fig.10 Influence of the difference depth of the blasting hole on the variation of roof failure height with advancing distance of working face

表3 不同預裂爆破方案下頂板初次來壓步距范圍

4 堅硬頂板深孔預裂爆破工程應用

4.1 現(xiàn)場預裂爆破方案

根據(jù)上述FLAC3D數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合22205綜放工作面的具體工程地質(zhì)條件與生產(chǎn)技術條件，提出了22205綜放工作面堅硬頂板深孔預裂爆破參數(shù)(表4和圖11)。在運輸順槽和回風順槽距切眼10 m處布置扇形分布的爆破各一組，每組5個鉆孔，在切眼中部布置4個鉆孔?；仫L順槽爆破孔(10～14號爆破孔)與運輸順槽爆破孔(1～5號爆破孔)呈對稱布置，爆破參數(shù)相同。切眼中部6號、7號爆破孔與8號、9號爆破孔也對稱布置，爆破參數(shù)相同。

表4 22205綜放工作面堅硬頂板深孔預裂爆破參數(shù)

爆破孔施工選用ZLJ-350型鉆機，成孔Φ65 mm。打鉆工藝流程如下：鉆機的搬遷和安裝→作業(yè)準備→定位→啟動鉆機→加鉆桿→鉆進→退鉆桿→鉆探記錄。裝藥前對爆破孔內(nèi)部情況進行探測，根據(jù)探測結(jié)果確定裝藥以及導爆索長度。選擇內(nèi)徑為45 mm的PVC管作為炸藥的載體進行裝藥，根據(jù)裝藥的長度來確定PVC管的長度，把制作好的藥卷放入到PVC管內(nèi)，在裝到要求的長度后，最后用炮棍把PVC管推入到孔底。起爆藥卷如圖12所示，爆破所需材料及規(guī)格見表5。

圖11 22205綜放工作面爆破孔布置平面圖

Fig.11 Layout of blastholes for 22205 fully mechanized top coal caving face

表5 爆破所需材料和火工品

圖12 起爆藥卷示意圖

Fig.12 Schematic diagram of initiating charge cartridge

爆破孔內(nèi)使用連續(xù)耦合方式裝藥以確?？變?nèi)藥包的完全引爆，采用雙雷管孔外并聯(lián)連接的方式，爆破孔口需要用刻有淺槽的木塞固定，確保放炮母線的絕緣性并且懸空吊掛。最后用炮棍把準備好的炮泥推入爆破孔，充填密實后注漿封孔[18]。

運輸順槽和回風順槽以及切眼爆破孔聯(lián)線都采用串聯(lián)的方式進行，一次裝藥一次起爆。使用FD-200型起爆器起爆，運輸順槽爆破孔聯(lián)線順序是依次連接1號爆破孔→2號爆破孔→3號爆破孔→4號爆破孔→5號爆破孔；回風順槽爆破孔聯(lián)線順序是依次連接10號爆破孔→11號爆破孔→12號爆破孔→13號爆破孔→14號爆破孔；切眼爆破孔聯(lián)線順序是依次連接6號爆破孔→7號爆破孔→8號爆破孔→9號爆破孔。爆破作業(yè)采用雙回路引爆，第1引爆回路為電雷管引爆；第2引爆回路為電雷管+導爆索引爆。

4.2 預裂爆破效果分析

22205綜放工作面切眼深孔預裂爆破在工作面支架設備完成安裝后開始爆破，運輸順槽和回風順槽深孔預裂爆破在工作面推進6 m后停止推進開始爆破。裝藥爆破前，首先用PVC管對爆破孔進行試孔，檢查爆破孔實際長度。完成爆破后，檢查發(fā)現(xiàn)爆破效果良好。

完成預裂爆破后，當22205綜放工作面推進至12 m時，機頭到機尾頂煤都已經(jīng)垮落，后溜多處可見白砂巖，從后溜見巖情況判斷，頂煤已經(jīng)全部垮落。當工作面繼續(xù)推進至55 m時，根據(jù)支架在線壓力監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，此時工作面頂板大面積來壓，50#～101#支架壓力較大，其中95#支架壓力達到47 MPa，個別支架安全閥部分開啟，綜合多方面判斷工作面此次來壓為22205綜放工作面頂板初次來壓。至此，22205綜放工作面初采初放結(jié)束，進入正?；夭呻A段。

與相鄰的22203綜放工作面相比，采用深孔預裂爆破后的22205綜放工作面老頂初次來壓步距減小了20 m左右。由此可見，采取頂板深孔預裂爆破措施，能夠有效減小工作面初次來壓步距，改善頂板來壓期間工作面生產(chǎn)狀況，沒有出現(xiàn)大面積支架壓死現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

1) 巖體深孔預裂爆破影響區(qū)域在空間上包括空腔區(qū)、破碎區(qū)、裂隙區(qū)等三個區(qū)域，其等效連續(xù)力學參數(shù)(包括黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及抗拉強度σt等)可通過Hoek-Brown強度準則進行較準確的估算。

2) 堅硬頂板深孔預裂爆破的三維數(shù)值計算結(jié)果表明，爆破孔距開切眼的距離越大，堅硬頂板預裂弱化效果越差；而爆破孔深度越大，頂板破壞高度越高，頂板預裂弱化效果越好。

3) 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，合理設計與優(yōu)化了某礦22205厚煤層綜放工作面堅硬頂板深孔預裂爆破方案與參數(shù)，并進行了現(xiàn)場工程實踐?，F(xiàn)場礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，采用深孔預裂爆破措施后，堅硬頂板的初次來壓步距減小了約20 m，顯著改善了堅硬頂板來壓期間的安全狀況，保障了工作面的正常安全生產(chǎn)。