李治國(guó)

（山西沁新煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 100083）

0 引 言

目前我國(guó)沿空留巷技術(shù)均已經(jīng)在各大礦區(qū)得到了大量試驗(yàn)推廣和應(yīng)用，在進(jìn)行沿空留巷過(guò)程中，巷旁充填墻、擋矸支護(hù)結(jié)構(gòu)等，在采空區(qū)側(cè)向懸頂壓力作用下，出現(xiàn)了變形破壞等壓力顯現(xiàn)。為了降低采空區(qū)側(cè)向懸頂對(duì)沿空巷道圍巖及支護(hù)體的力學(xué)作用，在實(shí)際工程處理中，我們會(huì)采用人工干預(yù)措施，通過(guò)預(yù)裂技術(shù)將在沿空巷道靠近采空側(cè)人為形成一個(gè)預(yù)裂面，促使其迅速垮落，降低其對(duì)沿空巷道上產(chǎn)生的附加荷載作用。其中爆破預(yù)裂切頂因?yàn)椴皇軒r層性質(zhì)影響，爆破效果可靠，預(yù)裂面平整美觀，可控性較強(qiáng)，而且能量分布集中，對(duì)周?chē)鷰r體損傷較小，在切頂中得到了大量應(yīng)用。本文通過(guò)在沁新煤礦9+10 號(hào)煤層沿空留巷工程實(shí)踐，研究了堅(jiān)硬灰?guī)r頂板中爆破切縫原理，及關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)選取方法，可為堅(jiān)硬頂板條件的切頂技術(shù)提供有益參考。

1 工程地質(zhì)條件

沁新煤礦9105 工作面ZK505 號(hào)鉆孔頂?shù)装鍘r性測(cè)試結(jié)果：9+10 號(hào)煤層直覆8 m 厚灰?guī)r頂板，單軸抗壓強(qiáng)度67.6～120 MPa，均值93.8 MPa；單向抗拉強(qiáng)度1.70～3.52 MPa，均值2.61 MPa；抗剪強(qiáng)度3.77～7.0 MPa，均值5.39 MPa。底板為1.7 m 厚黑色砂泥巖，性脆，軟弱，單軸抗壓強(qiáng)度9.9～11.8 MPa，均值10.8 MPa；單軸抗拉強(qiáng)度0.51～0.66 MPa，均值0.58 MPa，底板穩(wěn)定性差。下位巖層為粉砂巖4.93 m厚，整體煤巖層分布見(jiàn)表1。

表1 9105 工作面頂?shù)装鍘r層條件

2 聚能爆破切頂原理

2.1 聚能爆破切頂原理

通過(guò)在炸藥外層加裝一層具有聚能射流效應(yīng)的管體與炸藥組成形成聚能作用的藥包，具體做法是將炸藥裝入兩側(cè)呈180°分布有3 mm 直徑密集孔的PVC 管子內(nèi)，雷管引爆乳化炸藥后，爆轟波首先沿切縫管中的縫隙沖出形成射流，該射流對(duì)鉆孔壁產(chǎn)生沖擊作用產(chǎn)生初始裂紋；然后炸藥爆炸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高能爆生氣體迅速膨脹擠壓鉆孔周壁，使得爆轟波產(chǎn)生的初始裂紋迅速擴(kuò)展形成沿管壁切縫方向上的主預(yù)裂縫，該主預(yù)裂縫將巖石沿一定方向切割成2 部分，形成斷裂面。后期采場(chǎng)頂板在來(lái)壓作用下，即沿著此斷裂面切落，實(shí)現(xiàn)了切頂卸壓作用。原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 聚能切縫爆破作用原理圖

2.2 聚能爆破特點(diǎn)

1）能量調(diào)控顯著：通過(guò)聚能射流沖擊形成初始裂縫，使得爆生氣體的更多能量用來(lái)擴(kuò)展初始裂紋，也將會(huì)更多的節(jié)省炸藥。

2）切割效果顯著：因?yàn)楣こ淘瓗r的復(fù)雜（裂隙復(fù)雜，原始應(yīng)力復(fù)雜等），當(dāng)初始主裂縫與原來(lái)的裂隙疊加時(shí)，該爆破的爆轟壓力變高、預(yù)先泄出射流速度增大，切縫效應(yīng)更明顯。

3）可以保護(hù)巷道頂板。由于炸藥能量主要用來(lái)定向致裂和定向裂紋擴(kuò)展，則減小了對(duì)巷道頂板的破壞，保護(hù)了頂板。

4）降低鉆孔費(fèi)用：由于采用定向預(yù)裂，較不耦合爆破裂縫更長(zhǎng)，因此，可以增大預(yù)裂炮孔間距，減少鉆孔工程量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 切頂爆破參數(shù)研究

3.1 炮孔深度

爆破切縫孔深（H 縫）計(jì)算如下：

式中：hK為頂板下沉量，m；hG為底臌量，m；K為碎脹系數(shù)，1.3～1.5。

根據(jù)9105 工作面膠帶巷類(lèi)似工程切頂施工經(jīng)驗(yàn)及測(cè)量的頂板巖性碎漲系數(shù)，本次K取1.3，底板鼓起量和頂板下沉值按0 考慮，煤層采高取2.6 m時(shí)，計(jì)算得理論切縫垂高H1f=8.67m，實(shí)際取9 m。

3.2 炮孔傾角

為促使切頂后采空區(qū)采場(chǎng)頂板巖塊能與沿空巷道頂板巖塊脫離，則需滿(mǎn)足采場(chǎng)巖塊B 沿2 個(gè)塊體間的接觸面上產(chǎn)生的滑動(dòng)作用力fh大于沿空巷道頂板巖塊A 在水平力作用下產(chǎn)生的接觸面摩擦力fk，故若需順利滑落則需滿(mǎn)足：

圖2 炮孔切縫結(jié)構(gòu)面處巖塊咬合平衡

式中：T為水平擠壓力；Fz為巖塊B 及其上覆軟弱巖層重量，kN；Lz1為巖塊B 沿工作面傾向的長(zhǎng)度；Hz為巖塊B 的厚度，即7.0 m；Sz為B 巖塊回轉(zhuǎn)下沉量，Sz=ηmLz1，η為頂板下沉系數(shù)，取0.025。

LZ2為巖塊B 沿工作面走向長(zhǎng)度；Lz1=Lz2=h為巖層趨向斷裂時(shí)的安全系數(shù)，取3。

式中：SΔ為巖塊B 的面積，SΔ= Lz1Lz2/2，m2；Hzi為關(guān)鍵塊及上覆軟弱巖層的厚度，m；γzi為關(guān)鍵塊及其上覆軟弱巖層的各層容重，kN/m3。

經(jīng)理論計(jì)算，可得切頂角度15°。

3.3 炮孔不耦合系數(shù)

不耦合系數(shù)按照1.3～1.8 考慮，炸藥φ35 mm，則炮孔直徑需達(dá)到45.5～63 mm，考慮聚能管壁厚度影響，則實(shí)際取鉆孔55 mm，耦合系數(shù)1.31。

3.4 裝藥密度

切縫炮孔裝藥的線密度QL，按照下式計(jì)算：

式中：D為鉆孔直徑，mm；A為鉆孔間距，cm；k為巖石硬度折減系數(shù)，巖石硬度f(wàn) ≥6 時(shí)，k=0.6，巖石硬度3 ≥f≥6 時(shí)，k=0.4～0.5，巖石硬度2≥f≥0時(shí)，k=0.3～0.4。根據(jù)9+10 號(hào)煤層頂板K2 灰?guī)r硬度值f=12 ≥6，鉆孔直徑55 mm，鉆孔間距500 mm，則代入QL中計(jì)算可得，單孔炸藥裝藥線密度為1.0 kg/m。

3.5 封泥長(zhǎng)度

我國(guó)煤礦行業(yè)安全規(guī)程規(guī)定：當(dāng)采用深孔爆破時(shí)，炮孔的封堵長(zhǎng)度不小于炮孔長(zhǎng)度的1/3，則設(shè)計(jì)炮孔9 m，需封泥3 m。

3.6 裝藥結(jié)構(gòu)

爆破孔裝藥分布見(jiàn)圖3，單孔采用4 節(jié)內(nèi)徑36.5 mm，外徑42 mm 的聚能管，每根管采用4 節(jié)炸藥集中放置，每孔設(shè)置1 枚電雷管，一次起爆的炮孔，連線時(shí)同孔內(nèi)雷管引線采用并聯(lián)，孔與孔之間引線采用串聯(lián)。頂板巖石破碎或構(gòu)造區(qū)域時(shí)，則減小裝藥量。封泥長(zhǎng)度不變，將封泥段整體上移。

圖3 沁新煤礦9+10 號(hào)頂板裝藥結(jié)構(gòu)

3.7 單次起爆藥量

單次起爆炮孔數(shù)，要根據(jù)單次起爆藥量進(jìn)行計(jì)算獲得，單次起爆藥量計(jì)算分析：

按照每kg 炸藥量所需風(fēng)量10 m3/min 考慮，則每次起爆炸藥量：

式中：A為爆破炸藥量，單位kg，Q為斷面通風(fēng)量取562 m3/min。單孔按照4-4-4-4 裝藥，則單孔總裝藥量4 kg，根據(jù)通風(fēng)量計(jì)算，單次起爆最大數(shù)量按照14 個(gè)孔計(jì)算，最大起爆炸藥量56 kg＜56.2 kg。設(shè)計(jì)單次起爆藥量10～12 個(gè)。

4 爆破參數(shù)試驗(yàn)方法及效果

4.1 數(shù)值模擬法確定炮孔合理間距

爆破數(shù)值模型如圖4 所示，模型由巖石單元、空氣單元、炸藥單元、聚能管單元構(gòu)成，計(jì)算模型大小與實(shí)物模型尺寸一致，其內(nèi)徑為3.6 cm，外徑為4.2 cm，切縫寬度為0.4 cm；炸藥直徑3.2 cm。將計(jì)算的模型簡(jiǎn)化為平面狀態(tài)下的狀態(tài)模型，在厚度方向上取5 mm。模型中起爆方式采用中心點(diǎn)起爆，空氣邊界設(shè)為非反射邊界。

為了確定最優(yōu)的聚能爆破炮孔間距，對(duì)比分析400、500、600 mm 炮孔間距下連孔聚能爆破應(yīng)力演化規(guī)律和爆生裂紋發(fā)育規(guī)律，得出最優(yōu)的聚能爆破炮孔間距。

當(dāng)炮孔間距為400 mm 和500 mm 時(shí)，相鄰炮孔產(chǎn)生的張拉裂紋擴(kuò)展貫通，相鄰炮孔間形成了完全貫通的張拉裂縫，連孔聚能爆破效果良好。當(dāng)炮孔間距為600 mm 時(shí)，相鄰炮孔產(chǎn)生的張拉裂紋未能擴(kuò)展貫通就停止發(fā)育擴(kuò)展，考慮到炮孔施工和爆破成本效益，最優(yōu)炮孔間距為500 mm。效果圖見(jiàn)圖5。

圖4 沁新煤礦9+10 號(hào)頂板計(jì)算模型

圖5 不同炮孔間距時(shí)預(yù)裂封擴(kuò)展效果

4.2 漸進(jìn)趨近試驗(yàn)法確定裝藥量

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)總結(jié)，研究提出了切頂爆破裝藥量漸進(jìn)趨近法參數(shù)試驗(yàn)方案，以確定最佳的裝藥量和封泥長(zhǎng)度，既保證切縫效果，又保證頂板不損壞。

4.2.1 裝藥量原則

為保護(hù)頂板不受爆破切縫的破壞，防止頂板切斷后造成的直接頂安全隱患，應(yīng)當(dāng)在爆破前超前30 m 對(duì)切縫側(cè)實(shí)施恒阻錨索+W 鋼帶加固，堅(jiān)持先加固后切縫的原則。裝藥量應(yīng)當(dāng)實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整，當(dāng)頂板堅(jiān)硬時(shí)，宜加大藥量，當(dāng)頂板破碎軟弱時(shí)，宜減小藥量，裝藥量宜根據(jù)頂板硬度、完整性等及時(shí)調(diào)整，為此需要每50 m 對(duì)頂板施工一個(gè)窺視孔，探測(cè)頂板巖性，及時(shí)根據(jù)巖性變化調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量。對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段，可實(shí)時(shí)采取隔孔裝藥，或者打密集孔裝藥等方式，同時(shí)加強(qiáng)巷內(nèi)支護(hù)強(qiáng)度，提高被動(dòng)切頂支護(hù)阻力，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制切頂，減小爆破切頂。

4.2.2 預(yù)裂爆破參數(shù)試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)裝藥量的時(shí)候按照理論設(shè)計(jì)的藥量的60%開(kāi)始起步試驗(yàn)；每次單個(gè)聚能管中增加1 卷，逐次增加藥量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將每次裝藥爆破后的孔內(nèi)裂縫率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制出裂縫率與藥量之間的關(guān)系曲線，從曲線中找到臨界藥量，見(jiàn)圖6 所示。

從圖6 可看出：裂縫率隨著裝藥量的增加呈現(xiàn)先急劇升高→中部相對(duì)穩(wěn)定→后部緩慢增長(zhǎng)的三階段規(guī)律特征。顯示了藥量少時(shí)，藥柱與空氣柱比值較小時(shí)，即軸向不耦合系數(shù)較小時(shí)，增加藥量對(duì)裂縫擴(kuò)展效果明顯。當(dāng)藥柱與空氣柱比較增加到一定程度時(shí)，裂縫擴(kuò)展無(wú)明顯增長(zhǎng)，說(shuō)明藥量存在一個(gè)對(duì)于裂縫發(fā)育的影響存在一個(gè)臨界值，即軸向不耦合系數(shù)存在一個(gè)臨界值。對(duì)不同的巖性進(jìn)行裝藥量試驗(yàn)，可以通過(guò)曲線繪制找到對(duì)應(yīng)的裝藥量臨界值。這些臨界值可作為組合巖層預(yù)裂時(shí)不同深度時(shí)對(duì)應(yīng)巖層位置聚能管裝藥量的控制依據(jù)。比如當(dāng)切縫孔深度較大，大于5 m 以上的深孔爆破，出現(xiàn)組合巖層的概率非常高，如切縫孔范圍內(nèi)存在砂巖、泥巖、砂泥巖等各不同巖層，即可按照試驗(yàn)結(jié)果在不同的巖性段，裝不同的藥量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了裝藥與巖層性質(zhì)之間的匹配，更好地實(shí)現(xiàn)裂縫控制，同時(shí)降低了裝藥損耗。表2 中列出了K2 灰?guī)r試驗(yàn)了不同藥量的爆破效果：采用2-2-2-2、3-3-3-3、4-4-4-4、5-5-5-5 裝藥時(shí)，裂縫率分別為52 %、64%、83 %、75 %，采用5-5-5-5時(shí)，主要是孔內(nèi)塌孔明顯，導(dǎo)致實(shí)際主裂縫減小。

炮孔內(nèi)沿軸向的不耦合系數(shù)，即裝藥長(zhǎng)度與空氣柱的長(zhǎng)度比值，對(duì)鉆孔內(nèi)裂縫發(fā)育具有明顯影響，當(dāng)軸向裝藥不耦合系數(shù)由小增大時(shí)，裂縫則隨之增長(zhǎng)，但當(dāng)軸向不耦合系數(shù)超過(guò)一臨界值時(shí)，主裂縫減小，破碎裂縫明顯增多，如圖6 所示。

圖6 聚能爆破切縫率與藥卷數(shù)關(guān)系

4.3 堅(jiān)硬灰?guī)r頂板現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)試驗(yàn)

合理的爆破參數(shù)是實(shí)現(xiàn)切頂效果的保證。表1經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定了最大裝藥量，然后按照逐漸增大藥量的方法，設(shè)計(jì)了4 種裝藥結(jié)構(gòu)，以通過(guò)曲線擬合找到最佳的裝藥量。

表2 9 m 深炮孔爆破預(yù)裂切縫試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.4 爆破預(yù)裂切縫試驗(yàn)效果

預(yù)裂切縫爆破實(shí)施步驟：①沿采空側(cè)煤壁距離煤幫400 mm 處的頂板上用激光打一條切頂線，并采用白漆布設(shè)鉆孔眼位，確保鉆孔眼位位于同一條直線上；②利用專(zhuān)用切頂鉆機(jī)，配合55 mm 鉆頭，42 mm 鉆桿施工切頂炮孔，深度9 m，傾角15°，間距500 mm，施工過(guò)程中確保炮孔角度一致，誤差不要超過(guò)1°，確保預(yù)裂切縫能夠形成一個(gè)平面；③單個(gè)炮孔4 根1.5 m 長(zhǎng)聚能爆破管，每根管子中部集中安裝4 卷35 m×250 mm 煤礦許用三級(jí)乳化炸藥，并用鉛鋅絲卡茲固定住，防止炸藥移動(dòng)，并保證炸藥在豎直狀態(tài)下仍然能緊密結(jié)合，防止拒爆；④每根聚能管中塞入1 根電雷管，單孔采用同一段雷管，并且引線從管體內(nèi)部穿過(guò)，嚴(yán)謹(jǐn)將引線置于管體外側(cè)，防止送藥時(shí)，管子摩擦孔壁導(dǎo)致引線破損或斷裂，造成拒爆現(xiàn)象；⑤安裝完聚能藥包后，采用定向器的炮棍將管子逐根送入孔內(nèi)，送入時(shí)每根聚能管之間通過(guò)帶有定向功能的連接頭連接，并用膠帶綁扎緊密，防止管間脫開(kāi)和轉(zhuǎn)動(dòng)；⑥裝入聚能管藥包后，使用黃土炮泥將孔口填滿(mǎn)，每裝入30 cm 炮土?xí)r要采用炮棍將炮泥搗實(shí)，防止出現(xiàn)炮泥被打出破壞頂板和不安全隱患；⑦每個(gè)炮孔填塞完炮泥后，采用孔間串聯(lián)的方式，將起爆的炮孔連線接入發(fā)爆器引爆。裂縫展開(kāi)見(jiàn)圖7。

圖7 頂板炮孔內(nèi)裂縫展開(kāi)圖（裂縫率85%）

圖8 爆破預(yù)裂切縫與軸向裝藥不耦合系數(shù)關(guān)系曲線

其中：x為軸向裝藥不耦合系數(shù)；y為裂縫長(zhǎng)度。

式中：s為預(yù)裂切縫范圍。

當(dāng)軸向裝藥不耦合系數(shù)為3.348 時(shí)，孔內(nèi)裂縫長(zhǎng)5 m，可滿(mǎn)足切頂要求，則單個(gè)預(yù)裂炮孔內(nèi)裝藥量N可采用下式計(jì)算：

由試驗(yàn)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)曲線擬合規(guī)律可得最佳炮孔間距為0.5 m，炮孔深9 m，豎直向采空區(qū)偏轉(zhuǎn)15°。最終確定堅(jiān)硬灰?guī)r頂板預(yù)裂參數(shù)為：?jiǎn)慰變?nèi)裝入4 根1.5 m 長(zhǎng)聚能管，每根管子的中部集中放置4 卷250 mm 長(zhǎng)炸藥，炮孔封堵長(zhǎng)度3 m。

5 結(jié) 論

1）聚能爆破技術(shù)能很好的解決傳統(tǒng)爆破導(dǎo)致的裂縫發(fā)散問(wèn)題，通過(guò)雙向聚能定向預(yù)裂爆破將頂板沿走向切斷形成一個(gè)斷裂面，同時(shí)又保護(hù)了沿空巷道頂板不受破壞。切頂爆破技術(shù)在沿空留巷卸壓中可以不受巖性變化的限制，提供相對(duì)穩(wěn)定可靠的切頂卸壓效果，是目前切頂技術(shù)中最可靠的手段。

2）通過(guò)先理論計(jì)算藥量，后數(shù)值模擬裂縫擴(kuò)展確定孔間距，最后裝藥量試驗(yàn)擬合曲線法，可以較準(zhǔn)確的確定每種巖性的最佳裝藥量，獲得相對(duì)穩(wěn)定的裂縫率。采用理論、數(shù)值仿真、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方式，可以快速高效地確定裝藥結(jié)構(gòu)，為合理確定裝藥參數(shù)提供了一種可靠有效的途徑。