趙 善 坤

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

深部復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境、煤巖力學(xué)性質(zhì)的改變以及高強(qiáng)度集約化開(kāi)采，使得沖擊地壓發(fā)生的強(qiáng)度和頻次明顯增加[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前已有沖擊地壓礦井超過(guò)170座[3]，數(shù)量還在持續(xù)增加中。沖擊地壓作為一種煤巖體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力失穩(wěn)狀態(tài)，其孕災(zāi)及失穩(wěn)過(guò)程不僅與煤層自身的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，更與其所賦存的煤巖結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性有著密切關(guān)系，尤其當(dāng)煤層頂?shù)装鍨楹裼矌r層時(shí)。DRZEWIECKI等[4]認(rèn)為頂板堅(jiān)硬巖層變形積聚的能量以微震形式釋放，當(dāng)能量積聚到一定程度時(shí)的突然釋放，往往誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生。竇林名、何江等[5-7]認(rèn)為厚硬頂板對(duì)沖擊地壓的孕生影響顯著，并主張采用頂板厚度特征參數(shù)表征其對(duì)沖擊地壓的影響程度。姜福興等[8]通過(guò)對(duì)巨厚堅(jiān)硬頂板條件下煤層開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)特征的分析，構(gòu)建了多種覆巖空間結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為水平應(yīng)力在覆巖空間結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)移集中是巨厚堅(jiān)硬巖層沖擊地壓發(fā)生的主要原因。牟宗龍等[9]、徐小荷等[10]用突變理論構(gòu)建了堅(jiān)硬頂板與煤柱失穩(wěn)模型，認(rèn)為堅(jiān)硬頂板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和破斷位置與沖擊地壓發(fā)生密切相關(guān)，并得出頂板懸露長(zhǎng)度與沖擊危險(xiǎn)性正相關(guān)。楊培舉等[11]、韓昌良等[12]根據(jù)巨厚巖漿巖與煤層之間距離變化，分別建立了基于兩端固支梁和薄板理論的破斷失穩(wěn)判據(jù)。譚云亮等[13]、李振雷等[14]通過(guò)構(gòu)建屈服條件下堅(jiān)硬頂板結(jié)構(gòu)模型，推導(dǎo)出頂板斷裂步距計(jì)算公式，認(rèn)為堅(jiān)硬頂板微震能量增大和應(yīng)力突變是沖擊地壓發(fā)生的主要前兆信息。趙毅鑫等[15]、李浩蕩等[16]根據(jù)微震事件分布及能量釋放特征分析得出，硬頂硬煤條件下微震信號(hào)主頻突變或幅值激增可作為沖擊地壓發(fā)生的預(yù)警指標(biāo)。由此可見(jiàn)，如果能夠及時(shí)改變頂?shù)装鍘r石的力學(xué)性質(zhì)，降低其積聚彈性變形能的條件或破壞煤巖體結(jié)構(gòu)連續(xù)傳遞能量的能力，即可降低沖擊地壓危險(xiǎn)。為此，筆者以陜蒙地區(qū)典型厚硬頂板沖擊礦井為背景，通過(guò)對(duì)深孔頂板預(yù)裂爆破過(guò)程的分析，提出了深孔頂板預(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖機(jī)理并對(duì)其類型進(jìn)行劃分，借助非線性動(dòng)力學(xué)模擬軟件系統(tǒng)研究了深淺組合式、三花式和直線式3種不同爆孔布置方式下的巖體Mises等效應(yīng)力場(chǎng)、塑性破壞區(qū)及典型質(zhì)點(diǎn)的有效應(yīng)力和位移變化規(guī)律并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓防治實(shí)踐，通過(guò)對(duì)比爆破前后回風(fēng)巷在不同回采時(shí)段的覆巖整體變形破斷微震信息和工作面局部礦壓變化，驗(yàn)證得出深淺組合式布孔方案可有效降低頂板沖擊危險(xiǎn)程度，為類似條件下的沖擊地壓防治提供了理論指導(dǎo)。

1 深孔頂板預(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖機(jī)理分析及類型劃分

1.1 深孔頂板預(yù)裂爆破過(guò)程及力構(gòu)協(xié)同防沖機(jī)理分析

深孔頂板預(yù)裂爆破是以煤層上方難垮易積聚彎曲彈性能的厚硬頂板為目標(biāo)，通過(guò)在巷道內(nèi)向厚硬頂板所在層位打孔并實(shí)施裝藥爆破，一方面利用炸藥瞬時(shí)起爆產(chǎn)生的應(yīng)力沖擊波對(duì)厚硬頂板巖層進(jìn)行損傷破壞，由于爆孔內(nèi)無(wú)臨空自由面，爆炸應(yīng)力波在爆破三維空間內(nèi)呈柱面向外傳播，致使爆孔周邊巖體處于三向高擠壓應(yīng)力狀態(tài)，且大部分的爆破沖擊動(dòng)能損耗于此并形成粉碎壓縮區(qū)，其范圍為裝藥半徑的3～7倍。由于深孔頂板預(yù)裂爆破旨在破壞頂板巖層的完整性，促進(jìn)頂板裂隙發(fā)育，并非破碎頂板或崩落巖層，所以要盡量減小粉碎壓縮區(qū)的范圍。

隨著應(yīng)力波傳遞范圍的擴(kuò)大以及破碎巖層介質(zhì)的能量耗散，在粉碎區(qū)外側(cè)爆破應(yīng)力波以彈性波向外擴(kuò)展傳遞并產(chǎn)生徑向壓縮回彈，由于頂板巖體力學(xué)環(huán)境的復(fù)雜以及巖體介質(zhì)自身的非均質(zhì)性，不同位置處質(zhì)點(diǎn)力學(xué)響應(yīng)和變形趨勢(shì)離散不均，剪切裂隙應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，爆炸產(chǎn)生的高溫爆轟氣體因體積擴(kuò)容楔入巖體裂隙并在裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使粉碎區(qū)外部巖體裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育。

在上述多種應(yīng)力作用下，粉碎區(qū)外側(cè)一定范圍內(nèi)徑/切向裂隙、剪切裂隙交錯(cuò)貫通，形成爆破裂隙區(qū)。由斷裂力學(xué)可知，對(duì)于壓剪復(fù)合應(yīng)力作用下爆破裂隙區(qū)內(nèi)巖體支裂隙尖端起裂相當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子K可采用疊加法計(jì)算，即

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另一方面，爆破產(chǎn)生的強(qiáng)力沖擊波不僅可以改變頂板巖體力學(xué)介質(zhì)屬性，降低巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元儲(chǔ)能能力，對(duì)頂板巖體的結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)和破斷特征也有較大影響。首先，頂板巖層在上覆巖層自重應(yīng)力和工作面采動(dòng)應(yīng)力疊加作用下產(chǎn)生變形并在巖體單元內(nèi)部積聚大量的彈性能，處于高能級(jí)非穩(wěn)定平衡狀態(tài)。由極限平衡理論和能量守恒原理可知，隨著爆孔周邊粉碎區(qū)和裂隙區(qū)巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元的損傷破壞，積聚其內(nèi)部的彈性能得以釋放，主要用于頂板裂隙的擴(kuò)展和巖體的震動(dòng)，此時(shí)頂板巖層進(jìn)入低能級(jí)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。頂板巖層積聚的彈性能量越高，爆破擾動(dòng)巖體釋放的能量越多，影響的范圍越大，穩(wěn)定后的頂板巖體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。其次，隨著裂隙區(qū)裂隙擴(kuò)展，相鄰爆孔之間裂隙連通貫穿，進(jìn)而在厚硬巖層內(nèi)部人為制造了結(jié)構(gòu)破斷弱面，外部應(yīng)力逐漸向此處集中，改變了巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)。同時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，頂板厚硬巖層往往沿結(jié)構(gòu)弱面處發(fā)生斷裂，采場(chǎng)上覆巖層的破斷結(jié)構(gòu)和采場(chǎng)空間應(yīng)力分布得以優(yōu)化，頂板動(dòng)壓災(zāi)害得以控制。

煤巖沖擊傾向性是沖擊地壓發(fā)生的內(nèi)在因素，高應(yīng)力集中是沖擊地壓發(fā)生的必備條件。因此，深孔頂板預(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖原理在于以對(duì)采場(chǎng)礦山壓力影響顯著的難垮厚硬巖層為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)厚硬巖層中下部應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行鉆孔裝藥，借助爆破產(chǎn)生的強(qiáng)力沖擊動(dòng)載破巖作用、高溫高壓高速爆轟氣體的沖擊氣楔作用和熱交換回彈拉伸作用對(duì)頂板進(jìn)行損傷破壞，改變頂板巖體力學(xué)介質(zhì)屬性，降低巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元儲(chǔ)能能力，爆破產(chǎn)生的強(qiáng)烈震動(dòng)效應(yīng)促使處于高能級(jí)非穩(wěn)定動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的彎曲厚硬頂板能量釋放，進(jìn)入低能級(jí)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。此外，通過(guò)調(diào)整爆破布孔方式使得相鄰爆孔之間裂隙貫通，形成巖層結(jié)構(gòu)破斷弱面，切斷頂板連續(xù)傳遞應(yīng)力和能量條件的同時(shí)，利用頂板巖層結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)，使其在礦山壓力作用下沿預(yù)定位置彎曲破斷，具有弱化頂板巖層介質(zhì)力學(xué)屬性和優(yōu)化巖層破斷結(jié)構(gòu)的雙重作用。

1.2 深孔頂板預(yù)裂爆破防沖類型劃分

根據(jù)采場(chǎng)上覆厚硬巖層、采掘工作面巷道布置及深孔頂板預(yù)裂爆破地點(diǎn)3者的時(shí)空相對(duì)關(guān)系，深孔頂板預(yù)裂爆破技術(shù)用于厚硬頂板沖擊地壓防治大致分為3種類型：① 針對(duì)工作面初/末采期間，由于厚硬頂板往往造成初次來(lái)壓步距較長(zhǎng)，工作面后方形成較大的懸頂夾持?jǐn)D壓工作面煤體，造成工作面煤壁煤塊彈射或頂板突然垮斷而壓死支架，因此在工作面液壓支架安裝以前，利用開(kāi)切眼內(nèi)的有利空間分別對(duì)工作面支架后方以及上下巷端頭附近頂板厚硬巖層進(jìn)行預(yù)裂爆破，人為制造裂隙以切斷工作面頂板巖層與周邊巖體的聯(lián)系，促使其隨著工作面的推進(jìn)能夠及時(shí)垮斷，降低頂板初次來(lái)壓的強(qiáng)度。當(dāng)工作面進(jìn)入末采階段后，需在終采線與采區(qū)大巷之間開(kāi)掘主、輔回撤通道用于設(shè)備回收，一方面隨著工作面的推進(jìn)，采區(qū)大巷及工作面之間煤體近似兩面臨空大煤柱且尺寸不斷減小，整體應(yīng)力水平較高，另一方面在工作面超前采動(dòng)應(yīng)力、輔運(yùn)巷側(cè)向應(yīng)力以及上覆巖層自重應(yīng)力作用下，靠近終采線的主回撤通道所處應(yīng)力環(huán)境進(jìn)一步增大，若工作面后方采空區(qū)形成大范圍懸頂，其突然垮斷所形成的高動(dòng)載與主回撤通道高靜載相疊加，易誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)，為此在主/輔回撤通道內(nèi)向工作面方向施工深孔頂板預(yù)裂爆破，改變終采線附近頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)，促使厚硬頂板在回撤通道外部及時(shí)斷裂，降低回撤通道圍巖壓力，保證設(shè)備順利回收。此外，由于終采線大多位于采區(qū)大巷附近，在回撤通道附近切斷采空區(qū)上方的懸露頂板，亦可避免采場(chǎng)大范圍覆巖空間結(jié)構(gòu)壓力拱腳作用于大巷，造成大巷變形破壞，如圖1(a)所示；② 回采期間，根據(jù)工作面周期來(lái)壓步距，在工作面超前支承壓力影響范圍的兩巷道內(nèi)，沿巷道走向朝工作面實(shí)體煤側(cè)上方厚硬頂板施工爆破孔，增加頂板裂隙發(fā)育，促使其在超前支承壓力作用下及時(shí)垮斷，避免架后形成長(zhǎng)距離懸頂擠壓工作面煤體，造成工作面沖擊?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，大多采用扇形布孔方式，利于空間爆破裂隙的豎向貫穿，同時(shí)開(kāi)孔方向與工作面推進(jìn)方向相對(duì)，以期形成斜切下行破裂斷面，利于頂板回轉(zhuǎn)垮斷，如圖1(b)所示；③ 針對(duì)重復(fù)采動(dòng)巷道或鄰采空區(qū)巷道，為了避免因側(cè)向采空區(qū)懸露頂板回轉(zhuǎn)擠壓煤柱，造成煤柱應(yīng)力集中而形成沖擊，在巷道肩窩處向煤柱上方厚硬頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破，促使采空區(qū)側(cè)向頂板在煤柱外側(cè)或靠近采空區(qū)側(cè)破斷，減小側(cè)向懸露頂板對(duì)煤柱的夾持?jǐn)D壓應(yīng)力，降低煤柱應(yīng)力集中程度，避免煤柱型沖擊地壓發(fā)生，如圖1(c)所示。

圖1 頂板深孔預(yù)裂爆破防沖類型劃分Fig.1 Type of deep hole roof pre-blasting on rock burst control

2 深孔頂板預(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖影響因素分析

在實(shí)際應(yīng)用中，除炸藥自身類型差異以及爆破性能外，合理的裝藥結(jié)構(gòu)、科學(xué)的炮孔布置方案以及恰當(dāng)?shù)姆饪追绞绞怯绊懮羁醉敯孱A(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖效果的主要因素，而爆孔布置方式為核心要素。因此，為了進(jìn)一步弄清爆孔布孔方式對(duì)深孔頂板預(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖效果的影響機(jī)理，采用數(shù)值模擬的方案系統(tǒng)研究深淺組合式、三花式和直線式3種不同爆孔布置方式下的巖體應(yīng)力損傷和塑性發(fā)育情況，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)深孔頂板爆破參數(shù)選擇。

2.1 爆破方程選取及模型建立

巖石爆破過(guò)程是一個(gè)涉及多種載荷形式下多相介質(zhì)瞬時(shí)耦合作用的復(fù)雜過(guò)程，至今尚未形成一整套系統(tǒng)完整、能夠適用于不同條件的爆破理論。因此，結(jié)合上文對(duì)深孔頂板預(yù)裂爆破過(guò)程分析可知，針對(duì)爆破模擬方程和狀態(tài)方程設(shè)定一個(gè)固定算法，筆者在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，巖石參數(shù)算法采用經(jīng)典拉格朗日算法；乳化炸藥爆炸壓縮空氣的變形算法采用ALE算法，此算法結(jié)合了拉格朗日算法和流變算法，能夠滿足對(duì)大變形炸藥應(yīng)力波及空氣進(jìn)行模擬。

在模擬計(jì)算中,選用LS-DYNA中的高能炸藥材料來(lái)模擬炸藥單元，查詢LS-DYNA手冊(cè)和文獻(xiàn)[17]可知，采用JWL狀態(tài)方程分析耦合裝藥下的爆破壓力為

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式中，P為爆破壓力，MPa；A，B為炸藥屬性參數(shù)，本文采用的是乳化炸藥，參數(shù)分別取為21 400 GPa和18.2 GPa;V為初始相對(duì)體積;R1，R2，ω為炸藥參數(shù)，分別取4.2，0.95和0.30；E0為初始比內(nèi)能，取4.2 GPa。

采用線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程[17]：

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+ (C4+C5μ+C6μ2)E0

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其中，μ為氣體的當(dāng)前密度與初始密度之比，多項(xiàng)式參數(shù)C0取0.1、C4取0.4、C5取0.4，C1，C2，C3，C6均設(shè)置為0。上述模型參數(shù)設(shè)置完成之后，將生成的運(yùn)算文件導(dǎo)入ANSYS軟件中的LS-DYNA模塊，進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算。受實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性和計(jì)算機(jī)性能限制，在充分考慮不同爆孔布孔方式對(duì)比優(yōu)劣及兼顧傾斜炮孔建模難度的基礎(chǔ)上，采用PROE軟件進(jìn)行初期矩形巷道三維建型并將其導(dǎo)入Hypermesh軟件中，采用自動(dòng)劃分法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型除頂板面外，其余5個(gè)面均設(shè)置為無(wú)反射邊界條件，即當(dāng)應(yīng)力波傳遞至無(wú)反射邊界面時(shí)，會(huì)繼續(xù)向外傳遞直至耗散，當(dāng)應(yīng)力波傳遞至頂板面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，繼續(xù)對(duì)巖體進(jìn)行作用，模型尺寸80 m×80 m×30 m，網(wǎng)格數(shù)為25萬(wàn)個(gè)，模型相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 爆破模擬相關(guān)參數(shù)

2.2 模擬方案

實(shí)際工程中，炮孔沿著巷道頂板向上鉆入。受計(jì)算機(jī)工作能力限制，筆者僅對(duì)爆破裝藥的局部區(qū)域進(jìn)行了模擬，沒(méi)有進(jìn)行涵蓋巷道、工作面等宏觀尺寸的建模。重點(diǎn)對(duì)比直線式、三花式和深淺組合式3種不同爆孔布置方式下，爆孔間距和爆孔深度對(duì)頂板預(yù)裂爆破效果的影響，因此設(shè)計(jì)模型形狀為矩形，模型范圍包括相鄰3個(gè)炮孔的范圍，具體模擬方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。為了對(duì)比3種布孔方案的爆破效果，選取垂直于裝藥中點(diǎn)位置的剖面進(jìn)行模擬分析。論文后續(xù)章節(jié)云圖和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取也是在這一剖面選取。模擬是對(duì)炸藥布置的局部區(qū)域的簡(jiǎn)化模擬，因此設(shè)置了其中一個(gè)面為自由面，其余5個(gè)面為無(wú)反射邊界面，自由面的方向和炮孔的方向是相交的，所以在圖2中呈現(xiàn)為朝右的，對(duì)模擬結(jié)果沒(méi)有影響；裝藥半徑50 mm，裝藥長(zhǎng)度8 m；3種布孔方案的孔間距均為沿中線位置的投影距離。圖2展示了3種布孔方案的模型示意。

表2 不同爆孔布置方式下爆破效果模擬方案

圖2 3種布孔方案的模型示意Fig.2 Schematic diagram of the three hole layout model

按照以上模擬方案，分別提取爆破后的Mises等效應(yīng)力云圖、塑性破壞區(qū)以及典型質(zhì)點(diǎn)的有效應(yīng)力和位移變化趨勢(shì)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)，由于爆破屬于瞬態(tài)作用過(guò)程，對(duì)巖體的作用時(shí)間一般在5 ms以內(nèi)，因此本模擬分別記錄了直線式、三花式、深淺組合式3種不同爆孔布置方案下，爆孔起爆后5 ms內(nèi)的各評(píng)價(jià)參量的演化過(guò)程。

2.3 模擬結(jié)果分析

由于模擬數(shù)量較大，筆者僅對(duì)爆孔間距為8 m條件下，3種不同爆孔布置方式的爆破效果進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí)，為了便于分析，每個(gè)對(duì)比參量的選取時(shí)間均為0.4，2.5，4.4 ms三個(gè)不同時(shí)刻的變化量，3種布置方案的圖形展示依次為直線式、三花式和深淺組合式。

2.3.1不同布孔方式下Mises應(yīng)力云圖

Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則認(rèn)為形狀改變比能是材料破壞的主要原因。采用Mises等效應(yīng)力云圖，可以反應(yīng)爆炸能量的擴(kuò)散規(guī)律以及炸藥爆炸的能量范圍和大小。Mises應(yīng)力值越高，影響范圍越大，衰減速度越慢，爆破效果越好。圖3為3種不同布孔方式下Mises應(yīng)力云圖。應(yīng)力波傳遞周期在0.6～0.8 ms，并且每個(gè)傳遞周期，應(yīng)力波都有一定的衰減，拉伸破碎能力逐漸降低。在第1個(gè)應(yīng)力波傳遞周期，3種爆孔布置方案Mises等效應(yīng)力云圖基本相同。但自第2個(gè)傳遞周期開(kāi)始，Mises應(yīng)力峰值和范圍明顯表現(xiàn)為深淺組合式>三花式>直線式。在隨后的幾個(gè)傳遞周期中，3種布孔方案的應(yīng)力波均迅速衰減，但衰減速度呈深淺組合式<三花式<直線式分布。由此可見(jiàn)，在Mises應(yīng)力峰值大小、作用范圍以及作用時(shí)間上，深淺組合式布孔方案優(yōu)于三花式和直線式，分析原因在于深淺組合式布置方案提高了爆破的分形維數(shù)，增加了爆破裂隙及裂隙多向發(fā)展的可能性，這些裂隙有助于應(yīng)力波的反射，降低能量衰減速度，延長(zhǎng)了爆破衰減能量作用巖石的時(shí)間，同時(shí)高壓爆轟氣體進(jìn)入裂隙進(jìn)一步促進(jìn)了裂隙的擴(kuò)展和發(fā)育，從而使得爆破效果更好。

2.3.2塑性破壞區(qū)分析

對(duì)于巖石而言，一般認(rèn)為當(dāng)巖石應(yīng)變達(dá)到0.003時(shí)，開(kāi)始發(fā)生塑性變形，達(dá)到0.005時(shí)即發(fā)生了破壞。對(duì)于爆破沖擊載荷作用下，其應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程更加復(fù)雜，塑性變形大于0.003時(shí)可能就會(huì)產(chǎn)生裂隙，局部甚至可能已經(jīng)發(fā)生斷裂。從圖4可以看出，在開(kāi)始階段，3種方案下的巖石塑性區(qū)形態(tài)類似，形成圓形或類圓形的塑性區(qū)域。隨著應(yīng)力波的持續(xù)作用，塑性區(qū)域逐漸擴(kuò)大并在2.5 ms時(shí)達(dá)到最大，之后塑性區(qū)范圍變化不明顯，但塑性區(qū)的塑性變形持續(xù)增大，說(shuō)明衰減后的爆炸應(yīng)力波對(duì)塑性區(qū)或破碎區(qū)的作用仍然持續(xù)，圖中深淺組合式的塑性區(qū)變形明顯大于三花式和直線式。同時(shí)，盡管3種方案在炮孔附近的損傷分布范圍基本相同，但總體分布形態(tài)有很大不同。實(shí)際工程中，受到巖石復(fù)雜應(yīng)力和節(jié)理裂隙面的影響，相鄰炮孔間的爆破近似呈直線，且這條直線是具有一定寬度的帶狀直線。直線式布孔方案爆破后整個(gè)破碎區(qū)近似連成一條直線，三花式和深淺組合式布孔方案爆破后的破碎區(qū)成鋸齒狀，巖體中裂紋分叉更多，斷面粗糙度更高。從分形幾何和巖石爆破損傷模型來(lái)看，深淺組合式和三花式布孔方案爆破后的分形維數(shù)要大于直線式，爆炸能量利用更充分，爆破塊度更碎裂均勻。這有助于形成較寬范圍的破碎帶，使得頂板及時(shí)破斷。

2.3.3位移場(chǎng)及有效應(yīng)力場(chǎng)分析

由于位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)后處理信息較大，這里只選取3個(gè)典型位置的位移場(chǎng)和2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行觀測(cè)。設(shè)置位移觀測(cè)點(diǎn)的目的是為了觀測(cè)爆破過(guò)程中發(fā)生塑性變形區(qū)域的效果。在三花布孔方案中，由于3個(gè)炮孔呈三角形分布，受三孔釋放能量交叉影響，在三孔橫向中線的爆破效果最好。前人的研究認(rèn)為巖石爆破的破碎區(qū)直徑為炮孔直徑的5～6倍，裂隙或損傷區(qū)直徑為10～20倍甚至更多[18]。因此分別在距離炮孔直徑20倍距離的正上方邊緣和正下方邊緣處分別選取觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行位移觀測(cè)。應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)的選取需要考慮到相鄰炮孔間的相互作用，觀測(cè)應(yīng)力波傳遞過(guò)程中，相鄰爆破孔之間的相互影響，故應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)選在相鄰炮孔連線的中點(diǎn)上。測(cè)點(diǎn)布置方案及觀測(cè)結(jié)果如圖5，6所示。

圖5 不同炮孔間距下位移-應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Displacement-stress measuring points with different borehole spacing

圖6 不同布孔方式下位移場(chǎng)及有效應(yīng)力變化曲線Fig.6 Curves of displacement field and effective stress under different borehole arrangement

從圖6(a)可以看出，整體而言，爆破初始階段，3種布孔方案下的觀測(cè)點(diǎn)位置迅速增大，大約在2.5 ms處位移曲線變化斜率逐漸減小，這與前面Mises有效應(yīng)力經(jīng)過(guò)3個(gè)傳遞周期后大幅減弱以及塑性破壞區(qū)2.5 ms后不再繼續(xù)擴(kuò)展相吻合。但分項(xiàng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，位移場(chǎng)的變化速度及峰值總體呈深淺組合式>三花式>直線式，但深淺組合式和三花式后期差別不大，這說(shuō)明隨著這2種布孔方案分形維數(shù)的提高，應(yīng)力疊加更加復(fù)雜，破巖碎石效果更好。

從圖6(b)可以看出，在爆炸開(kāi)始后的第1個(gè)應(yīng)力波傳遞周期，3種方案下的Mises有效應(yīng)力均急劇增長(zhǎng)至峰值后迅速降低，區(qū)分并不明顯。但從第2個(gè)開(kāi)始的后續(xù)幾個(gè)應(yīng)力波傳遞周期里，雖然3種方案的Mises有效應(yīng)力均因?qū)r石產(chǎn)生反向拉伸破壞作用而明顯衰減，但深淺組合式布孔方式的Mises有效應(yīng)力幅值整體高于三花式和直線式布孔方案。由于Mises應(yīng)力的大小決定了應(yīng)力波對(duì)巖體拉伸作用產(chǎn)生裂隙數(shù)量和大小，Mises有效應(yīng)力越大，則應(yīng)力波拉伸能量越強(qiáng)，產(chǎn)生的裂隙越多。同時(shí)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)3種布孔方案的不同布孔間距下的位移峰值點(diǎn)和有效應(yīng)力峰值點(diǎn)也可證明，深淺組合式布置方案對(duì)巖石拉壞作用最強(qiáng)，能量衰減速率最慢，這將會(huì)使得巖石巖石裂隙或損傷區(qū)擴(kuò)展范圍更大，具體對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

同理，通過(guò)對(duì)比相同布孔方式，不同爆孔間距下，爆破過(guò)程中位移峰值和有效應(yīng)力峰值距離觀測(cè)點(diǎn)的距離統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨著爆孔間距的減小，位移峰值點(diǎn)和有效應(yīng)力峰值點(diǎn)距離測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，巖石破碎塑性區(qū)以及裂隙區(qū)擴(kuò)展范圍越大，爆破預(yù)裂效果越好，限于篇幅，具體對(duì)比情況另行撰文詳述。

3 深孔頂板預(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖工程實(shí)踐

3.1 工程現(xiàn)場(chǎng)概況

內(nèi)蒙古巴彥高勒煤礦31103工作面是11盤區(qū)第3個(gè)回采工作面，工作面采用雙巷布置留巷方式，工作面傾向長(zhǎng)度260 m，走向長(zhǎng)度3 578 m，區(qū)段煤柱寬30 m，平均埋深600 m，煤層平均厚度為5.42 m，傾角為1.5°，采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，全垮落法管理頂板，工作面在回采過(guò)程中多次發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)。分析原因一方面是煤層上方50 m范圍內(nèi)存在3層10 m以上厚硬頂板，經(jīng)鑒定頂板及煤層均具有弱沖擊傾向性，厚硬頂板的變形垮斷對(duì)工作面礦壓影響顯著。另一方面，采用套孔應(yīng)力解除法實(shí)測(cè)得出，該區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)，最大主應(yīng)力值為29.45 MPa，最大主應(yīng)力方向平均為100.72°，總體近似于東西向，恰好與311103工作面巷道走向垂直，巷道圍巖受區(qū)域擠壓應(yīng)力最大，巷道頂?shù)装逡子谙蛳锏揽臻g發(fā)生屈曲變形并積聚彈性應(yīng)變能。此外，由于回風(fēng)巷因先后經(jīng)歷2次采掘擾動(dòng)影響，在采動(dòng)應(yīng)力、上覆巖層自重應(yīng)力和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力疊加作用下，區(qū)段煤柱形成高應(yīng)力集中，當(dāng)作用于煤柱上方采空區(qū)側(cè)向厚硬頂板發(fā)生突然破斷時(shí)，形成的動(dòng)載與煤柱高靜載疊加，誘發(fā)煤柱沖擊，造成區(qū)段煤柱下部底板大面積沖出，最大底臌量達(dá)到1.5 m，如圖7所示。

圖7 31103回風(fēng)巷區(qū)段煤柱沖擊現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Dynamic pressure display site at air return roadway of 311103 working face

為此，自2015年12月開(kāi)始，采用深孔頂板預(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖技術(shù)，對(duì)回風(fēng)巷區(qū)段煤柱上方厚硬頂板的垮斷位置進(jìn)行優(yōu)化，避免側(cè)向形成長(zhǎng)距離懸露擠壓煤柱。

3.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

(1)爆破層位的確定。根據(jù)31103工作面地質(zhì)綜合柱狀圖并結(jié)合工作面后方采空區(qū)頂板垮斷情況觀測(cè)結(jié)果，將工作面相關(guān)參數(shù)代入覆巖理論垮落高度及基本頂進(jìn)入垮落帶判別計(jì)算公式[18]，計(jì)算得出理論垮落高度約為17 m。

假定砂質(zhì)泥巖全部垮落，其余煤層的累積碎脹高度僅為2.52 m，仍無(wú)法充分回填采空區(qū)空間，說(shuō)明上部的2層厚度10 m以上中粒砂巖均參加了巖層運(yùn)動(dòng)，且這2層巖層的回轉(zhuǎn)垮冒對(duì)回風(fēng)巷區(qū)段煤柱受力影響顯著，需爆破處理這2個(gè)層位。結(jié)合前文數(shù)值模擬分析結(jié)果并考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件，確定對(duì)回風(fēng)巷兩側(cè)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破，爆破鉆孔深度分別為35 m和45 m，鉆孔角度均為45°。

(2)爆孔間距優(yōu)化設(shè)計(jì)。由深孔頂板預(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖機(jī)理分析可知，只要保證相鄰爆孔爆破后裂隙區(qū)能夠貫通，形成孔間卸壓帶或貫穿裂隙帶即可。依據(jù)破碎區(qū)估計(jì)公式、裂隙區(qū)計(jì)算公式和單米裝藥量計(jì)算公式[18]，計(jì)算得出不耦合裝藥條件下，頂板中粒砂巖層爆破破碎區(qū)半徑為440.19 mm，裂隙區(qū)半徑為2 250.93 mm，單米裝藥量Lc為0.51 kg，計(jì)算得出孔間距為5.45 m，兩孔裝藥量分別為15 kg和18 kg。但考慮現(xiàn)場(chǎng)施工成本并結(jié)合31102工作面相鄰2次沖擊地壓顯現(xiàn)平均間距36 m和31103工作面上覆巖層大、小周期來(lái)壓步距13.5～54.0 m，最終確定爆孔間距為10 m。計(jì)算所需相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 回風(fēng)巷深孔頂板爆破鉆孔間距計(jì)算相關(guān)參數(shù)

(3)為了降低爆破壓縮波作用時(shí)間，增加裂隙區(qū)的擴(kuò)展半徑，采用不耦合裝藥，其中炮孔直經(jīng)為65 mm，炸藥直徑為50 mm，不耦合系數(shù)為1.3，以3～5支乳化炸藥藥卷(規(guī)格為：φ50 mm×460 mm×1 000 g)作為一個(gè)起爆單元，每個(gè)起爆單元使用雙雷管并用引線引出，采用專用封孔水泥藥卷進(jìn)行封孔。

為了充分對(duì)比直線式、三花式以及深淺孔組合式3種不同爆孔布置方式下，深孔頂板預(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖防治效果，根據(jù)31103工作面回風(fēng)巷頂板賦存條件及巖石力學(xué)特性，詳細(xì)設(shè)計(jì)了以下3種不同爆破施工設(shè)計(jì)方案，如圖8所示，其中詳細(xì)爆孔施工參數(shù)詳見(jiàn)表5，采用連續(xù)裝藥方式，單孔起爆。

圖8 31103回風(fēng)巷3種不同爆孔布置方案下深孔斷頂爆破設(shè)計(jì)示意Fig.8 Three different design drawings of the roof pre-blasting in air return roadway at 31103 working face

表5 31103回風(fēng)巷炮眼施工爆破參數(shù)

3.3 深孔頂板預(yù)裂爆破防沖效果檢驗(yàn)

為了全面系統(tǒng)評(píng)價(jià)深孔頂板預(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖效果，對(duì)31103工作面回風(fēng)巷不同回采時(shí)段的覆巖整體變形破斷微震信息和工作面局部礦壓變化進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)地段主要集中在工作面“二次見(jiàn)方”區(qū)域以外(距開(kāi)切眼368 m處，該位置之前頂板未采取防沖措施)至回風(fēng)巷6號(hào)聯(lián)絡(luò)巷附近(距開(kāi)切眼2 097 m)，分別采用直線式、三花式以及深淺孔組合式3種不同布孔組合方案進(jìn)行頂板爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)巷道累計(jì)長(zhǎng)度1 729 m，共分4個(gè)不同區(qū)域，其中煤礦因證照手續(xù)等多種因素影響，導(dǎo)致炸藥無(wú)法連續(xù)供應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)頂板爆破期間人為造成了局部頂板未處理區(qū)域，這也為頂板預(yù)裂爆破有效性分析及不同爆破方案的對(duì)比提供了參考。

3.3.1采場(chǎng)覆巖微震事件對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)頂板預(yù)裂爆破施工位置及爆孔布置情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)爆破施工工藝及采場(chǎng)覆巖微震顯現(xiàn)程度不同，將回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)劃分為5個(gè)不同階段，其中不同階段頂板爆破施工情況及對(duì)應(yīng)回采期間的礦壓顯現(xiàn)、微震事件分布情況如圖9及表6所示。

圖9 31103回風(fēng)巷各區(qū)深孔頂板預(yù)裂爆破施工位置及礦壓顯現(xiàn)對(duì)比Fig. 9 Comparison of pre-blasting site of deep hole roof and pressure in areas at air return roadway of 31103 working face

表6 31103回風(fēng)巷各區(qū)深孔頂板預(yù)裂爆破施工位置及微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

從圖9可以看出，在未斷頂區(qū)域回采期間，井下煤炮事件不斷，累計(jì)發(fā)生13起能級(jí)為104J微震事件，1起能級(jí)為105J微震事件，每米釋放能量達(dá)到7 065.2 J，進(jìn)入工作面“二次見(jiàn)方”區(qū)域后，巷道底臌和兩幫變形量明顯增大，超前支架泄壓閥打開(kāi)及區(qū)域漏頂現(xiàn)象不斷，影響了工作面的正常推采；在Ⅰ區(qū)回采期間，由于巷道兩側(cè)施工深淺組合式頂板預(yù)裂爆破措施，微震事件及巷道礦壓顯現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)，累計(jì)僅發(fā)生5起小能量微震事件，即便在工作面三次見(jiàn)方位置，巷道變形及底臌量明顯小于“二次見(jiàn)方”期間，說(shuō)明深孔頂板預(yù)裂爆破有效控制了側(cè)向頂板的垮斷結(jié)構(gòu)，降低了巷道的整體應(yīng)力；在Ⅱ區(qū)回采期間，采用三花式爆孔布置方式處理頂板，但由于受炸藥供應(yīng)的影響，該區(qū)域僅施工4個(gè)爆孔，大約有180 m的頂板未處理，造成了頂板周期性結(jié)構(gòu)破斷失衡，能量及應(yīng)力傳遞不連續(xù)，先后6次發(fā)生動(dòng)壓顯現(xiàn)，其中包括累計(jì)造成巷道破壞達(dá)300 m長(zhǎng)的 “8·26”強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)；在Ⅲ區(qū)回采期間，由于炸藥恢復(fù)供應(yīng)，繼續(xù)采用三花式爆孔布置預(yù)裂頂板，未發(fā)生較大礦壓顯現(xiàn)，其中9月22日在工作面中部發(fā)生了一起能量為1.1×105J微震事件，距離巷道較遠(yuǎn)未造成破壞。此次微震事件也從側(cè)面證明了，深孔頂板預(yù)裂爆破通過(guò)對(duì)上覆巖層垮斷結(jié)構(gòu)的控制，將作用于巷道圍巖上的應(yīng)力向工作面深部轉(zhuǎn)移，避免了頂板彈性能釋放而造成巷道受損破壞；在Ⅳ區(qū)回采期間，由于炸藥供應(yīng)不及時(shí)將深孔頂板預(yù)裂爆破方案調(diào)整為單側(cè)直線式布孔，微震事件和礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較Ⅲ區(qū)明顯增加，推進(jìn)該區(qū)22 m時(shí)發(fā)生一次強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，造成工作面超前100～180 m內(nèi)巷道嚴(yán)重底臌，部分區(qū)域頂板冒落高度達(dá)1.5 m。后期將爆破方案調(diào)整為兩幫對(duì)稱卸壓后，微震數(shù)量和礦壓顯現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)。

此外，通過(guò)對(duì)31103工作面回風(fēng)巷5個(gè)不同深孔頂板預(yù)裂爆破區(qū)域微震應(yīng)力云圖和能量直方圖統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面由未斷頂區(qū)域進(jìn)入Ⅰ區(qū)過(guò)程中，微震以巖體裂隙擴(kuò)展的小能量事件為主，大能量事件較少，頂板積聚大量彈性變形能；Ⅰ區(qū)后半段至Ⅱ區(qū)前半段之間，因頂板預(yù)裂爆破不連續(xù)，微震活動(dòng)明顯減弱，局部出現(xiàn)“缺震”現(xiàn)象，說(shuō)明該區(qū)域頂板結(jié)構(gòu)垮斷不連續(xù)，高低位巖層運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，側(cè)向形成了懸頂結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致“8·26”強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的發(fā)生；進(jìn)入Ⅲ區(qū)以后，高應(yīng)力區(qū)整體向工作面中部轉(zhuǎn)移，在9月20日前后出現(xiàn)2～3 d的“缺震”現(xiàn)象，之后發(fā)生了1起105J 微震事件，推測(cè)為高位巖層運(yùn)動(dòng)破斷所致；由Ⅲ區(qū)進(jìn)入Ⅳ區(qū)期間，因生產(chǎn)幫側(cè)未實(shí)施頂板預(yù)裂爆破，上覆高低位巖層破斷結(jié)構(gòu)再次受到影響，造成側(cè)向頂板因懸露過(guò)長(zhǎng)而發(fā)生能量積聚，導(dǎo)致“10·28”強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)發(fā)生。由此可見(jiàn)，當(dāng)工作面由未斷頂區(qū)域進(jìn)入斷頂區(qū)域或者進(jìn)出相鄰不同斷頂預(yù)裂設(shè)計(jì)施工區(qū)域時(shí)，因人為造成上覆頂板巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，應(yīng)力與能量傳遞不連續(xù)，積聚在上覆厚硬巖層內(nèi)的彈性變性能釋放不均勻或不充分而局部區(qū)域形成高應(yīng)力集中，當(dāng)能量積聚到一定程度時(shí)，在外在擾動(dòng)應(yīng)力的作用下易發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，誘發(fā)沖擊地壓。同時(shí)，當(dāng)在這些區(qū)域微震監(jiān)測(cè)出現(xiàn)“缺震”現(xiàn)象時(shí)(圖10中的粉框)，可將其作為沖擊地壓發(fā)生的典型預(yù)測(cè)前兆。

圖10 31103回風(fēng)巷各區(qū)域微震應(yīng)力及微震能量對(duì)比Fig.10 Comparison of microseismic stress and energy in each region of air return roadway in 31103 working face

3.3.2工作面支架工作阻力對(duì)比分析

選取工作面下端頭靠近回風(fēng)巷側(cè)下部的10架液壓支架作為觀測(cè)對(duì)象，記錄工作面過(guò)6號(hào)聯(lián)絡(luò)巷期間的支架工作阻力情況，進(jìn)而評(píng)估頂板預(yù)裂爆破的效果，這期間工作面支架工作阻力曲線如圖11所示。

從圖11可以看出，工作面推采經(jīng)過(guò)6號(hào)聯(lián)絡(luò)巷期間，先后出現(xiàn)8次周期來(lái)壓，平均2 d/次，來(lái)壓步距14.5 m，較未采取斷頂爆破來(lái)壓步距減小了10 m，來(lái)壓周期較小1.5 d，來(lái)壓能量也大幅度減弱。分析原因在于由于回風(fēng)巷兩側(cè)預(yù)先施工了頂板深孔爆破措施，分別在低位、高位厚硬巖層中人為制造了斷裂弱面，當(dāng)工作面進(jìn)入該區(qū)域回采時(shí)，在超前支承壓力和側(cè)向支承壓力的作用下，回風(fēng)巷上方頂板沿?cái)嗔讶趺婵鍞?，懸露于區(qū)段煤柱上的擠壓應(yīng)力得以釋放，進(jìn)而當(dāng)工作面此間推過(guò)時(shí)，來(lái)壓周期和來(lái)壓強(qiáng)度明顯降低。

3.3.3鉆孔窺視及鉆屑量對(duì)比分析

采用4D超高清全智能孔內(nèi)電視對(duì)頂板預(yù)裂爆破前后的裂隙發(fā)育及擴(kuò)展情況進(jìn)行了窺視。方案如圖12所示。為便于對(duì)比，2個(gè)觀測(cè)孔選擇的觀測(cè)深度距孔口均為32 m，垂直高度22.4 m，位于中粒砂巖內(nèi)。

圖11 工作面過(guò)頂板預(yù)裂爆破區(qū)域支架工作阻力曲線Fig.11 Curves of support working face through in roof pre-blasting area

圖12 斷頂爆破觀測(cè)孔布置方案Fig.12 Observation hole for roof pre-blasting

圖13為爆破前后觀測(cè)孔裂隙發(fā)育情況。從圖13可以看出，在未進(jìn)行爆破前，2個(gè)觀測(cè)孔所探測(cè)位置巖石比較完整，未發(fā)現(xiàn)明顯裂隙，其中1號(hào)觀測(cè)孔局部發(fā)現(xiàn)一條環(huán)形裂隙，2號(hào)觀測(cè)孔巖石相對(duì)完整，未見(jiàn)明顯裂隙。60號(hào)孔爆破后，1號(hào)觀測(cè)孔環(huán)形裂隙明顯增大，說(shuō)明單孔有效影響距離超過(guò)8 m。2號(hào)觀測(cè)孔因距離爆孔較近，孔內(nèi)裂隙呈環(huán)形分布，以豎向張拉裂隙為主，且距離觀測(cè)點(diǎn)大約1 m(距孔口33 m左右)位置發(fā)生了塌孔，說(shuō)明該位置受爆破沖擊最為嚴(yán)重，裂隙得道充分?jǐn)U展貫通，頂板完整性得到破壞，起到了控制頂板破斷結(jié)構(gòu)，有效控制側(cè)向頂板破斷位置的防沖目的。

圖13 爆破前后2個(gè)觀測(cè)孔裂隙發(fā)育對(duì)比Fig.13 Contrast of fracture development of two observation holes before and after blasting

此外，通過(guò)對(duì)60號(hào)頂板預(yù)裂爆孔下方區(qū)段煤柱幫部，爆破前后煤柱鉆屑法監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，爆破前區(qū)段煤柱幫部鉆屑量峰值為4.84 kg/m，峰值位置距離巷幫7 m；爆破卸壓后，鉆屑量峰值降低為3.13 kg/m，峰值位置進(jìn)一步向煤體深部轉(zhuǎn)移，距離巷幫9 m，說(shuō)明頂板預(yù)裂爆破促進(jìn)了區(qū)段煤柱上方側(cè)向懸露頂板的垮斷，釋放了高、低位厚硬巖層因回轉(zhuǎn)變形而積聚的彎曲彈性能量，應(yīng)力向采空區(qū)側(cè)轉(zhuǎn)移，如圖14所示。

圖14 頂板深孔預(yù)裂爆破前后鉆屑量變化Fig.14 Changes of cuttings before and after deep hole roof pre-blasting

4 結(jié) 論

(1)深孔頂板預(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖原理一方面是利用爆破產(chǎn)生的強(qiáng)力沖擊動(dòng)載破巖作用、高溫高壓高速爆轟氣體的沖擊氣楔作用和熱交換回彈拉伸作用對(duì)頂板進(jìn)行損傷破壞，改變頂板巖體力學(xué)介質(zhì)屬性，降低巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元儲(chǔ)能能力，促使處于高能級(jí)非穩(wěn)定動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的彎曲厚硬頂板能量釋放并向低能級(jí)穩(wěn)定平衡轉(zhuǎn)變；另一方面利用相鄰爆孔之間裂隙的貫通形成巖層結(jié)構(gòu)破斷弱面，切斷頂板連續(xù)傳遞應(yīng)力和能量的條件，改變頂板巖層結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)，使其在礦山壓力作用下沿預(yù)定位置彎曲破斷，具有弱化頂板巖層介質(zhì)力學(xué)屬性、優(yōu)化巖層破斷結(jié)構(gòu)和改善巷道圍巖整體結(jié)構(gòu)的雙重作用。

(2)利用ANSYS軟件中的LS-DYNA模塊，再考慮爆破氣楔作用和沖擊作用的基礎(chǔ)上，模擬分析了不同布孔方式、不同爆孔間距下深孔頂板預(yù)裂爆破效果。相比于直線式和三花式爆孔布孔方式，采用深淺組合式使得Mises有效應(yīng)力在作用范圍和作用時(shí)間上更加充分，增加了爆破裂隙密度及多向發(fā)展的可能性，延長(zhǎng)了爆破衰減能量作用巖石的時(shí)間，致使塑性破壞區(qū)范圍更加發(fā)育，爆破塊度更加碎裂均勻，位移場(chǎng)速度變化和有效應(yīng)力峰值點(diǎn)距離觀測(cè)點(diǎn)最遠(yuǎn)。在相同布孔方式下，隨著爆孔間距的減小，位移峰值點(diǎn)和有效應(yīng)力峰值點(diǎn)距離測(cè)點(diǎn)越遠(yuǎn)，巖石破碎塑性區(qū)以及裂隙區(qū)擴(kuò)展范圍越大，爆破預(yù)裂效果越好。

(3)采用多種監(jiān)測(cè)手段對(duì)試驗(yàn)巷道不同回采時(shí)段的覆巖整體變形破斷微震信息和工作面局部礦壓變化進(jìn)行綜合對(duì)比，充分驗(yàn)證了深孔頂板預(yù)裂爆破力構(gòu)協(xié)同防沖效果。從現(xiàn)場(chǎng)頂板預(yù)裂爆破實(shí)際防沖過(guò)程中得出，深孔頂板預(yù)裂爆破要連續(xù)施工，盡量不要人為制造施工空白區(qū)。當(dāng)工作面由未斷頂區(qū)域進(jìn)入斷頂區(qū)域或者進(jìn)出相鄰不同斷頂預(yù)裂設(shè)計(jì)施工區(qū)域時(shí)，因人為造成上覆頂板巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，應(yīng)力與能量傳遞不連續(xù)，積聚在上覆厚硬巖層內(nèi)的彈性變性能釋放不均勻或不充分而局部區(qū)域形成高應(yīng)力集中，在外在擾動(dòng)應(yīng)力的作用下易發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，誘發(fā)沖擊地壓。同時(shí)，當(dāng)施工區(qū)域微震監(jiān)測(cè)出現(xiàn)“缺震”現(xiàn)象時(shí)，可將其作為沖擊地壓發(fā)生的典型預(yù)測(cè)前兆。