梁洪彪

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁033602）

1 工程背景

23107工作面位于二一采區(qū)，上部為8號(hào)煤層18103、18105、18117采空區(qū)，上部東側(cè)為18101采空區(qū)和原斜溝煤礦8號(hào)煤采空區(qū)。工作面傾向長247.8 m，走向長度為3 419 m，采用單一走向長壁低位放頂煤采煤方法，工作面采高為3.8 m，放煤高度11.0 m，采用一采一放回采工藝，正規(guī)循環(huán)進(jìn)度為0.8 m，采空區(qū)采用全部垮落法管理頂板。由于工作面端頭存在應(yīng)力集中、頂煤較難破碎、影響頂煤冒放等問題，對(duì)工作面的安全生產(chǎn)造成了一定的影響。

2 預(yù)裂爆破技術(shù)方案設(shè)計(jì)分析

2.1 粉碎圈與裂隙圈半徑的計(jì)算

（1）柱狀炸藥產(chǎn)生的爆破載荷。

耦合裝藥條件下，炸藥在巖石內(nèi)起爆后，粉碎圈和裂縫圈產(chǎn)生在炮孔周圍，且柱狀炸藥對(duì)孔壁（1施）加沖擊載荷。依據(jù)動(dòng)力波原理：

式中，p為爆破產(chǎn)生的沖擊波（初始應(yīng)力MPa），p0表示炸藥產(chǎn)生的爆轟壓MPa，ρ表示巖石密度（kg/m3），ρ0表示炸藥的密度（kg/m3），cp表示炸藥在巖石中產(chǎn)生的波速（m/s），D為炸藥在巖石中產(chǎn)生的爆速（m/s），γ為爆轟產(chǎn)物的膨脹絕熱指數(shù)，γ取3。

徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力表示為：

上述公式中，σθ為巖石中的切向應(yīng)力MPa，σr為巖石中的徑向應(yīng)力MPa，r表示為比距離，rˉ=表示裝藥中心與計(jì)算點(diǎn)之間的距離，rb表示炮孔半徑，α表示載荷傳播衰減指數(shù)，α=2±表示巖石的動(dòng)泊松比，b表示側(cè)向應(yīng)力系數(shù)

按照平面問題計(jì)算，z軸方向受力為：

（2）爆炸載荷作用下巖石的破壞。

由于巖石為脆性材料，巖石在爆破過程中呈三向受力狀態(tài)。粉碎區(qū)是由巖石壓縮產(chǎn)生的，爆破產(chǎn)生的拉應(yīng)力產(chǎn)生裂隙區(qū)，巖石的應(yīng)力強(qiáng)度（任意一點(diǎn)）表示為：

依據(jù)Mises準(zhǔn)則，巖石發(fā)生破壞的前提條件是，σi滿足：

σ0表示巖石的破壞強(qiáng)度MPa（單軸受力條件下），表示巖石單軸抗壓強(qiáng)度（動(dòng)態(tài)），σcd表示巖石單軸抗拉強(qiáng)度（動(dòng)態(tài)）。

炸藥采用柱狀耦合方式，爆炸在巖石中產(chǎn)生形成粉碎圈，依據(jù)公式（1）～（9），粉碎圈半徑計(jì)算公式為：

裂隙圈位于粉碎圈之外，依據(jù)公式（7）、（9）公式得：

上述公式中，σR表示為徑向應(yīng)力，衰減指數(shù)為：

依據(jù)公式（7）、（8）、（9）及（15）可得巖石中裂隙圈半徑：

依據(jù)公式（1-10）、（1-16）得出，采用耦合條件下裝藥的裂隙圈半徑計(jì)算公式為：

爆破使用礦用乳化炸藥，炸藥密度取1 120 kg/m3，爆速D為3 600 m/s，由此得出頂煤在爆破形成的粉碎圈和裂隙圈半徑分別為0.3 m和1.2 m。

2.2 數(shù)值模型建立與分析

基于LS-DYNA軟件論證分析不同起爆方式、不同間距爆破效果，以確定最優(yōu)爆破參數(shù)指導(dǎo)工程實(shí)踐。如圖1所示，分別對(duì)500、1 000和1 200 mm三種間距爆破進(jìn)行模擬。通過分析爆轟波裂隙延展性比較爆破參數(shù)爆破效果，在間距一定情況下，間隔起爆后爆轟波衰減速度較快無法達(dá)到一次性連續(xù)爆破實(shí)現(xiàn)最大化爆破的效果；連續(xù)起爆模擬下，500 mm、1 000 mm間距均能實(shí)現(xiàn)炮孔間裂隙導(dǎo)通，在工作面回采采動(dòng)影響下頂煤會(huì)沿裂隙破碎，1 200 mm間距無明顯裂隙導(dǎo)通，不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)效果，因此，選擇連續(xù)爆破間距1 000 mm較為合理。

圖1 不同間距爆破裂隙效果Fig.1 Effect of blasting crack with different spacing

2.3 爆破方案

根據(jù)粉碎圈和裂隙圈半徑的計(jì)算結(jié)果，工作面端頭炮眼成五花型布置，炮眼配置導(dǎo)爆聚能管，炮眼間距為1 000 mm×1 000 mm，眼深為12 m，藥卷個(gè)數(shù)為17，填裝6 m水炮泥，封泥長度為5 m，炮眼結(jié)構(gòu)示意、炮眼布置圖如圖2、圖3所示。

圖3 炮眼布置示意Fig.3 Hole arrangement

3 工況效果分析

為驗(yàn)證23107材料巷切頂卸壓深孔爆破效果，采用鉆孔窺視的方法對(duì)預(yù)留孔進(jìn)行了窺視工作，鉆孔窺視圖如圖4所示。

由圖4可知，采用切頂卸壓深孔爆破后，鉆孔孔壁內(nèi)沿弱結(jié)構(gòu)面形成較為明顯的破碎帶，兩爆破孔影響半徑均大于1 000 mm，相鄰炮孔之間的裂隙導(dǎo)通，形成了導(dǎo)通裂隙，切頂卸壓效果較為理想。由圖5可知，采用切頂卸壓深孔爆破加劇了頂板破斷程度，周期來壓步距降為7.4～11 m，工作面端頭范圍內(nèi)的頂板懸頂面積得到有效治理，如圖5所示。

圖5 端頭架覆巖老頂來壓步距Fig.5 Pressure step of the top of the overlying rock

4 結(jié) 論

（1）通過計(jì)算得出了該工作面煤層中形成的粉碎圈和裂隙圈半徑分別為0.3 m和1.2 m。

（2）通過理論分析、數(shù)值模擬、工程試驗(yàn)確定了爆破參數(shù)，通過鉆孔窺視分析驗(yàn)證使用效果較為理想。

（3）采用切頂卸壓深孔爆破加劇了頂板破斷程度，周期來壓步距降為7.4～11 m，工作面端頭范圍內(nèi)的頂板懸頂面積得到有效治理。