許 琳，張 磊

(山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003)

由于煤礦安全生產(chǎn)需要，上部煤層開采中，必須留設(shè)各種用途的煤柱，待上覆煤層回采結(jié)束后，這些煤柱分別位于采空區(qū)的各個(gè)位置，在頂板的作用力下，部分煤柱遭到破壞，未破壞的煤柱會(huì)形成應(yīng)力集中。尤其山西大同地區(qū)，是典型的“三硬”煤層礦區(qū)，在工作面回采后，頂板不易自然垮落，暴露在外，形成的集中應(yīng)力區(qū)會(huì)對(duì)下部工作面的開采造成安全隱患[1-3]。由于深層煤的開采，煤礦的生產(chǎn)條件越來越復(fù)雜，沖擊地壓頻繁顯現(xiàn)，當(dāng)開采近距離煤層時(shí)，上覆煤柱形成的集中應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致下伏煤層在高應(yīng)力狀態(tài)下生產(chǎn)，容易發(fā)生片幫、冒頂、壓架等危險(xiǎn)，形成極大的隱患，對(duì)煤礦的高效穩(wěn)定生產(chǎn)有較大的影響[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外煤柱及底板弱化方法以高壓注水弱化法及預(yù)裂爆破弱化法為主，國(guó)內(nèi)中小型礦井對(duì)煤柱及底板集中應(yīng)力的弱化以預(yù)裂爆破法為主。為了減小因堅(jiān)硬難垮落頂板和上覆煤柱在開采過程中導(dǎo)致的礦壓顯現(xiàn)的強(qiáng)度，通過采用鉆孔爆破技術(shù)，有效破壞煤巖體的結(jié)構(gòu)，釋放煤柱中已聚集的能量，從而令其無法積聚過多的彈性能，以此縮減頂板的垮落面積，有效削弱支架在頂板垮落時(shí)受到的沖擊力，保證煤礦開采的安全，因此對(duì)上覆煤柱深孔爆破卸壓的機(jī)理及爆破參數(shù)進(jìn)行深入研究。

1 工作面概況

針對(duì)山西大同礦區(qū)近距離開采煤層上覆煤柱及底板的特點(diǎn)，決定在大同礦區(qū)中煤塔山煤礦30515工作面，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域的頂板實(shí)施深孔預(yù)裂卸壓爆破及對(duì)上覆煤柱實(shí)施深孔松動(dòng)卸壓爆破，防止頂板壓力過大破壞支架或沖擊地壓等情況的發(fā)生。

30515工作面位于中煤大同塔山煤礦三盤區(qū)，目前所采煤層為石炭紀(jì)3-5號(hào)煤層，煤層標(biāo)高1 008.5 m，平均厚15.56 m。上部為2號(hào)煤層，現(xiàn)已開采完畢，在開采期間留有寬度30 m的隔離煤柱，2號(hào)煤層與3-5號(hào)煤層平均間距5 m左右。現(xiàn)在，30515工作面布置在2號(hào)煤層采空區(qū)的下部，上部2號(hào)煤層的煤柱位于30515工作面內(nèi)，水平方向上，該煤柱長(zhǎng)度1 900 m，與30515工作面回風(fēng)巷最小距離28 m，最大距離53 m，基本與回風(fēng)巷處于平行狀態(tài)。

2 煤柱爆破卸壓技術(shù)原理

利用爆破方法對(duì)上覆煤柱及煤柱下部的底板進(jìn)行卸壓，對(duì)爆破技術(shù)要求較高，須對(duì)爆破的位置、角度、間距等因素綜合分析，研究圍巖參數(shù)及卸載效果，同時(shí)還要注意煤柱所處采空區(qū)的瓦斯、煤柱下方巷道的安全情況等。采用爆破卸壓方法，多是由于煤層埋深較淺，垂直方向的壓力較小，頂板巖層硬度大，因此在工作面回采后，煤柱兩側(cè)容易出現(xiàn)較長(zhǎng)的懸頂，讓煤柱與煤體受到很大的支承壓力，大量的勢(shì)能積存在煤層與頂?shù)装逯?，因此極易發(fā)生礦壓顯現(xiàn)[5]。針對(duì)該類頂板特點(diǎn)，采用遠(yuǎn)距離定向爆破破壞煤柱，深孔預(yù)裂爆破弱化堅(jiān)硬頂板，從而達(dá)到卸壓的目的，以改善下部煤層的頂板應(yīng)力狀態(tài)[6-7]。

巖石爆破破碎是一個(gè)極為迅速的過程，爆破對(duì)巖體產(chǎn)生兩種作用，即動(dòng)壓作用和靜壓作用。認(rèn)為炸藥是一個(gè)在自由空間內(nèi)的球形炸點(diǎn)，爆炸后巖石破壞特征隨著與爆炸源距離的變化而發(fā)生明顯變化，可將拋空周圍的巖石分為粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和彈性震動(dòng)區(qū)3個(gè)區(qū)域[8]，如圖1所示。

圖1 巖石爆破分區(qū)示意

在工作面上覆煤柱內(nèi)部實(shí)施鉆孔爆破，當(dāng)煤柱內(nèi)形成粉碎區(qū)及裂隙區(qū)后，工作面上方巖層應(yīng)力得到部分釋放，在軸向和縱向方向上應(yīng)力梯度降低，表明鉆孔爆破可以令煤層內(nèi)積聚的勢(shì)能得到釋放，因此可以達(dá)到降低或防止礦壓顯現(xiàn)的效果。

3 爆破方案選擇

3.1 安全性分析

1) 爆破瞬時(shí)壓力控制分析。工作面上部煤柱的應(yīng)力主要來自于煤柱上層頂板的直接壓力以及來自懸板傳導(dǎo)的壓力，頂板形成懸板的長(zhǎng)度決定了煤柱受力的大小，煤柱的壓力與懸板長(zhǎng)度成正比關(guān)系。由于上覆煤層頂板巖層硬度大且埋深較淺，因此當(dāng)采空區(qū)塌陷后，煤柱受壓力變大并將傳導(dǎo)到下部底板上，在煤柱內(nèi)部和底板中積累大量的勢(shì)能。在進(jìn)行卸壓爆破后，一旦煤柱某部分被徹底損壞，那懸板的應(yīng)力狀態(tài)隨即改變，僅在沿煤柱走向的懸板兩端形成支撐點(diǎn)，積聚在懸板內(nèi)的勢(shì)能會(huì)馬上轉(zhuǎn)移到支撐點(diǎn)位置，所以會(huì)導(dǎo)致爆破段兩端的煤柱受力變大，進(jìn)而導(dǎo)致煤柱下部的底板能量向煤柱兩端聚集，形成應(yīng)力集中區(qū)，這種情況下很可能對(duì)下部巷道或支架造成破壞。當(dāng)爆破后，煤柱兩側(cè)懸板逐漸塌落，煤柱兩端的應(yīng)力集中區(qū)緩慢消失，則煤柱底部積累的大量能量也將得到釋放。

綜合以上論述，爆破后，煤柱所受壓力會(huì)逐漸產(chǎn)生變化。第一次爆破時(shí)，煤柱兩端受到的壓力肯定會(huì)變大，但是短時(shí)間內(nèi)積聚大量能量的概率很低，因?yàn)槊簩酉鄬?duì)松軟，且煤柱的寬度為30 m，厚度較大，實(shí)際爆破產(chǎn)生的效果使煤柱受到大的破壞的可能性很低。為了預(yù)防第一次爆破后應(yīng)力集中區(qū)的出現(xiàn)，把第一次爆破的炸點(diǎn)放置在煤柱上的巖層中，先對(duì)懸板進(jìn)行破壞，懸板破壞后逐漸垮落，在一定時(shí)間內(nèi)懸板中的勢(shì)能逐漸得到釋放，并且，在煤柱中設(shè)置合理距離的炮孔，使煤柱松散，逐漸減小煤柱內(nèi)積聚的勢(shì)能，減弱煤柱的壓力，所以煤柱僅僅是被松動(dòng)，沒有產(chǎn)生大的損壞，因此不會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中區(qū)。

同時(shí)，為了保證在爆破時(shí)上部頂板正常下沉的同時(shí)不會(huì)影響到下部巷道頂板的穩(wěn)定性，應(yīng)綜合考慮工作面的回采進(jìn)程及速度和頂板周期來壓的情況來決定每次的爆破長(zhǎng)度。

2) 采空區(qū)及煤柱內(nèi)瓦斯對(duì)爆破安全性影響分析。由于煤柱上部的頂板巖層較堅(jiān)硬，在頂板垮落過程中與煤柱構(gòu)成了T型梁，而且2號(hào)煤層形成采空區(qū)已久，煤柱兩側(cè)的空間中可能充滿了大量瓦斯，而且煤柱較長(zhǎng)時(shí)間暴露在采空區(qū)，在煤柱的兩側(cè)一定范圍內(nèi)由于上部壓力作用形成裂隙區(qū)中也可能含有瓦斯。所以，爆破前通過鉆孔對(duì)采空區(qū)及煤柱做氣體分析并采取相應(yīng)措施。

3) 煤柱位置準(zhǔn)確定位。精準(zhǔn)定位煤柱所處的位置、長(zhǎng)度與寬度、大致走向，是能否順利實(shí)施爆破方案的主要因素。在實(shí)施爆破之前，對(duì)巷道壓力進(jìn)行測(cè)定，提前了解爆破前巷幫的應(yīng)力狀態(tài)，并對(duì)照相關(guān)地質(zhì)資料，初步掌握煤柱走向和基本位置。

為保證爆破方案實(shí)施的順利進(jìn)行，根據(jù)分析計(jì)算所得的結(jié)果再采用物探和鉆探結(jié)合的方法對(duì)上覆煤柱進(jìn)行精準(zhǔn)定位，落實(shí)煤柱的走向和大小。

4) 爆破位置的確定。由于藥量集中，爆破威力大，破壞性強(qiáng)，防止對(duì)煤柱底板破壞，對(duì)下部回采工作面造成影響，因此選擇煤柱上半部作為爆破位置，與底板留有一定距離形成保護(hù)層，炮孔的裝藥段應(yīng)距工作面煤壁留有一定長(zhǎng)度的抵抗線，同時(shí)采用毫米微差爆破，減少爆破沖擊與震動(dòng)。

3.2 炮孔布置方案及爆破參數(shù)確定

30515工作面的上覆煤柱的位于采煤工作面實(shí)體煤的上部，與回風(fēng)巷大致平行。距離回風(fēng)巷最近處28 m，最遠(yuǎn)處53 m，如圖2所示。根據(jù)以往研究，煤柱的下部壓力以中部軸線處為最大值，所以，煤柱的卸壓爆破的位置應(yīng)該在煤柱下方的中部，考慮到如果從回風(fēng)巷進(jìn)行鉆孔，所需炮孔的長(zhǎng)度大約50 m，鉆孔的工作量很大，且炮孔的位置不易控制，合理的爆破位置應(yīng)該在工作面煤柱的下方，直接布置炮孔對(duì)煤柱實(shí)施爆破，無論是爆破效果還是施工安全都能得到有效控制。

圖2 上覆煤柱與巷位置

由于上覆煤柱的寬度為30 m，選擇布置兩排炮孔爆破，采用加大單孔裝藥量來改善爆炸威力不足的問題。炮孔布置見圖3。

圖3 炮孔布置

1) 炮孔長(zhǎng)度和角度。炮孔長(zhǎng)度由炮孔角度決定，一般條件下，卸壓爆破孔的角度控制在 45～60°。炮孔長(zhǎng)度:L=(h+d+c)/sinθ(其中L為炮孔長(zhǎng)度，h為支架上部煤層厚度，d為層間距，c為炮孔進(jìn)入煤柱內(nèi)的垂直高度，單位均為米；θ為鉆孔角度，本次爆破c取2 m)。當(dāng)θ為45°時(shí)，炮孔長(zhǎng)度為27 m；當(dāng)θ為 60°時(shí)，炮孔長(zhǎng)度為22 m。結(jié)合工作面實(shí)際情況，確定θ為50°，炮孔長(zhǎng)度為25 m。

2) 炮孔間距的確定。利用爆破卸壓方法，當(dāng)能量源(炸藥)釋放能量時(shí)，以能量源為中心向外依次形成擴(kuò)腔區(qū)、粉碎區(qū)、裂隙區(qū)。通過數(shù)值模擬，確定煤柱爆破卸壓的有效范圍，合理布置炮孔間距。

根據(jù)礦井地質(zhì)條件，建立長(zhǎng)60 m、寬30 m、高30 m，如圖4所示的模型圖，采用MIDAS/GTS 有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算，通過分析現(xiàn)場(chǎng)爆破參數(shù)可知炮孔間距保持在3～6 m卸壓效果較好。數(shù)值模擬結(jié)果如下：

圖4 爆破模型

模擬結(jié)果如圖4、圖5所示，發(fā)現(xiàn)兩種模擬方案的結(jié)果具有明顯的不同。當(dāng)孔間距為3 m時(shí)，模擬效果良好，爆破范圍內(nèi)煤巖體偏移度較高，粉碎區(qū)與裂隙區(qū)的形成較明顯，并且兩炮孔之間的裂隙區(qū)存在交叉重合；當(dāng)孔間距為6 m時(shí)，爆破效果一般，爆破范圍內(nèi)煤巖體偏移度較小，粉碎區(qū)與裂隙區(qū)發(fā)育較差，對(duì)卸壓效果不明顯。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果來看，兩炮孔之間的距離布置為4 m，以煤柱中心為對(duì)稱點(diǎn)布置在兩側(cè)。

圖5 不同炮孔間距模擬結(jié)果

3) 裝藥參數(shù)及炮孔直徑。爆破方案炮孔直徑確定為65 mm，選取規(guī)格為D50 mm×500 mm煤礦安全許用炸藥，同時(shí)需要在炮孔內(nèi)放置PVC管，防止塌孔現(xiàn)象。煤柱的卸壓爆破屬于松動(dòng)或拋擲爆破，藥量集中，瞬間釋放能量大，炮孔采用集中連續(xù)裝藥。根據(jù)以往相似條件的爆破，炸藥裝藥段為2.0～3.0 m，泡泥長(zhǎng)度大于10 m，單孔藥量為4 kg，采用同一批次、同一型號(hào)的瞬發(fā)電雷管或毫秒電雷管，導(dǎo)爆索放在炮孔內(nèi)大約50 cm處。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過對(duì)爆破瞬時(shí)壓力分析，選擇將第一次爆破安排在煤柱的頂板中實(shí)施，隨后在煤柱中進(jìn)行爆破，可以防止在煤柱中的第一次爆破后應(yīng)力集中區(qū)的出現(xiàn)；

2) 根據(jù)礦井地質(zhì)條件建立模型，利用MIDAS/GTS 有限元分析軟件進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)合工作面情況確定了炮孔角度為50°、炮孔長(zhǎng)度為25 m、孔間距為4 m的雙排炮孔的爆破方案。