云 明 趙 軍 王藝超

（1.山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251100；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

隨著煤炭資源日益減少，傳統(tǒng)預(yù)留煤柱開采方式帶來(lái)的煤炭資源浪費(fèi)等問題已經(jīng)成為亟待解決的問題。沿空留巷作為一種新興的開采方式，相對(duì)于傳統(tǒng)的預(yù)留煤柱開采在工藝上更加簡(jiǎn)單，且無(wú)需預(yù)留煤柱，可極大減少資源浪費(fèi)[1]。

沿空留巷施工過程中，若采用巷幫填充來(lái)代替預(yù)留煤柱承受頂板來(lái)壓[2]，沒有改變巷道頂板應(yīng)力分布狀況，使用巷旁填充不僅人工、物料成本較高，且填充物上承受較大壓力，應(yīng)力過于集中，存在一定的安全隱患[3]。深孔預(yù)裂爆破切頂技術(shù)，通過預(yù)裂頂板巖梁，切斷應(yīng)力傳遞，防止應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)，有效減輕推采過程中動(dòng)壓對(duì)巷道圍巖變形的影響[4]。

邱集煤礦1102 工作面使用全閉合切頂爆破技術(shù)，通過深孔預(yù)裂爆破對(duì)巷道頂板進(jìn)行切頂作業(yè)[5]。爆破切頂?shù)男Ч麑?duì)成巷質(zhì)量有著重要的意義，因此，為保證切頂質(zhì)量，在邱集煤礦1102 工作面設(shè)計(jì)炮孔綜合檢測(cè)體系，保證切頂質(zhì)量。

1 工程概況

邱集煤礦煤巖層主要為南北傾伏的單斜構(gòu)造，煤巖層走向近東西，傾向北，煤層傾角3°～8°，平均5°。開采的煤層為11 煤，平均厚度2.02 m，頂板為堅(jiān)硬的雙層灰?guī)r頂板，其中，直接頂五灰的厚度0～3.75 m，平均2.01 m，四灰厚度3.60～7.30 m，平均5.13 m，兩層灰?guī)r之間泥巖頂板的平均厚度為1.14 m。底板為平均厚度5.56 m 的泥巖，頂部夾雜有線性細(xì)砂薄巖層。巖層分布柱狀圖如圖1。

圖1 巖層分布柱狀圖

2 深孔預(yù)裂爆破檢測(cè)技術(shù)

頂板預(yù)裂切縫是整個(gè)切頂卸壓沿空留巷的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，為從根本上控制切縫質(zhì)量，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的切縫進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)一步提高切頂卸壓沿空留巷的完成狀況。對(duì)切縫線的檢測(cè)主要包括爆破前檢測(cè)和爆破后檢測(cè)。在裝藥爆破前需要對(duì)鉆孔質(zhì)量進(jìn)行檢查，爆破后通過“表面—孔內(nèi)—孔間”三位一體的綜合探測(cè)體系，對(duì)成型的切縫線通透性等方面進(jìn)行檢測(cè)。

2.1 鉆孔測(cè)斜檢測(cè)

在爆破前，通過電子多點(diǎn)測(cè)斜儀對(duì)回采巷道的頂板切縫孔鉆孔質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，分別選取位于炮孔縱深2 m、4 m、8 m 處三個(gè)位置，定義為淺部基點(diǎn)、中部基點(diǎn)及深部基點(diǎn)，對(duì)每個(gè)基點(diǎn)測(cè)試其井斜角和方位角。其中井斜角為檢測(cè)點(diǎn)與巷道豎直方向之間的夾角，方位角是鉆孔方向在地面的投影與地磁場(chǎng)北極的順時(shí)針夾角角度。傾角與設(shè)計(jì)傾角之間的差值分別為井斜偏差及方位偏差，偏差值的正切與炮孔層位長(zhǎng)度的乘積是井斜偏移以及方位偏移，最后通過各層位偏移量側(cè)疊加，得到總的偏移值。

2.2 巷道表面爆破質(zhì)量探測(cè)

利用防爆相機(jī)在井下對(duì)鉆孔附近的巷道表面拍照記錄，檢測(cè)在定向預(yù)裂爆破之后巷道表面產(chǎn)生的預(yù)裂切縫的貫通情況以及切縫形態(tài)質(zhì)量。

2.3 孔內(nèi)預(yù)裂縫擴(kuò)展情況觀測(cè)

使用圖2 所示的全景數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)對(duì)鉆孔內(nèi)部進(jìn)行鉆孔成像。該系統(tǒng)的主要硬件組成部分為礦用本安型全景攝像頭、深度標(biāo)志物及系統(tǒng)計(jì)算主機(jī)，并通過絞車和電纜進(jìn)行連通。軟件部分主要應(yīng)對(duì)鉆孔成像監(jiān)視以及后期處理，可以將鉆孔攝像機(jī)拍攝下來(lái)的圖像無(wú)縫拼接成一個(gè)整體圖像后展開成平面圖，對(duì)預(yù)裂縫在鉆孔內(nèi)的擴(kuò)展情況進(jìn)行直觀、清晰的展示。

圖2 全景數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)

2.4 孔間裂縫貫通檢測(cè)

圍巖體內(nèi)的裂隙發(fā)育程度會(huì)影響聲波在巖石中的傳遞速度，基于此項(xiàng)原理，發(fā)展出的單孔測(cè)試法（圖3）和雙孔測(cè)試法（圖4）可用于對(duì)切頂效果進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試過程中，若切頂效果良好，兩炮孔間圍巖破碎程度較高，則不利于聲波的傳遞，探測(cè)結(jié)果顯示聲波波速較低；反之，若探測(cè)結(jié)果顯示聲波波速處于高值，則證明圍巖完整性良好，切頂效果較差。

圖3 單孔測(cè)試法

圖4 雙孔測(cè)試法

在探測(cè)結(jié)束后，匯集統(tǒng)計(jì)聲波在距圍巖表面不同深度處的傳播速度數(shù)據(jù)，做出探測(cè)深度與波速之間的關(guān)系曲線，對(duì)巷道被測(cè)試段圍巖破壞深度及切頂后裂隙發(fā)育狀況進(jìn)行判斷分析。

3 工程實(shí)踐及效果

3.1 施工方案

施工過程中采用煤礦二級(jí)許用乳化炸藥，炸藥規(guī)格：直徑27 mm，長(zhǎng)200 mm，重量0.15 kg/卷。爆破切頂采用內(nèi)徑63 mm 的特制裝藥工具，該裝藥工具主體為在管側(cè)壁雙向開槽的PVC 管，開槽寬度為6 mm。圖5 為特制研發(fā)的向上裝藥工具結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 特制裝藥工具

經(jīng)理論計(jì)算與工程實(shí)例對(duì)比后，同時(shí)結(jié)合邱集煤礦1102 工作面實(shí)際工程概況，確定在1102 軌道順槽采用如下施工方案：鉆孔長(zhǎng)度9.5 m，切頂角度為75°，則相應(yīng)的切頂高度為9.17 m，相鄰鉆孔間距為1 m。裝藥結(jié)構(gòu)選用“2+1+1+2”單孔使用7.35 kg 炸藥的方案進(jìn)行試驗(yàn)，其中，孔底到1.5 m 內(nèi)采用單卷裝藥，1.5～6 m 采用單卷裝藥，6～7.5 m 內(nèi)采用兩卷裝藥，封堵長(zhǎng)度在考慮安全因素以及煤礦安全準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上不小于2 m。具體試驗(yàn)參數(shù)及方式如表1 和圖6。

表1 裝藥結(jié)構(gòu)

圖6 裝藥結(jié)構(gòu)（m）

3.2 切縫質(zhì)量檢測(cè)

（1）鉆孔測(cè)斜檢測(cè)結(jié)果

由匯總后的檢測(cè)結(jié)果可知，鉆孔的井斜角基本在161.73° ～167.16°之間，井斜偏差在-3.27°～2.16°之間，經(jīng)換算累計(jì)井斜偏移量在-0.43～0.23 m 之間。方位偏差較井斜偏差小，累計(jì)方位偏差基本穩(wěn)定在-0.37～0.27 之間。由于在鉆孔過程中受到巖層層位變化的影響，鉆孔鉆進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，誤差在一定范圍內(nèi)對(duì)切頂效果影響較小。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)偏移距離大于0.5 m，即炮孔間距大于1.5 m 時(shí)會(huì)影響爆破效果。根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，所有鉆孔累計(jì)偏移量都小于0.5 m，能夠達(dá)到預(yù)期的爆破效果。

（2）巷道表面質(zhì)量探測(cè)結(jié)果

應(yīng)用礦用本安型防爆相機(jī)對(duì)爆破切頂后的巷道表面拍照。在孔口可看到明顯的切縫線，隨工作面推采過后，可以看到明顯的切縫線與切縫面。

（3）鉆孔窺視檢查結(jié)果

窺視情況顯示，爆破切縫線從封堵段開始產(chǎn)生，后續(xù)沿炮孔向內(nèi)擴(kuò)展的裂隙發(fā)育明顯且充分，孔口及孔壁形態(tài)完好，爆破產(chǎn)生的沖擊不會(huì)影響周圍錨索的施工。

（4）孔間裂縫貫通檢測(cè)結(jié)果

在預(yù)裂切頂之后，對(duì)炮孔進(jìn)行聲波測(cè)試時(shí)邊注水邊檢測(cè)，對(duì)爆破孔前后進(jìn)行聲波測(cè)試，經(jīng)過整理得到孔深2～6 m 的聲波測(cè)試結(jié)果，如圖7 所示?？梢钥闯?，爆破前由于巖石完整性良好測(cè)得的波速平均為6000 m/s，在爆破后測(cè)得的波速明顯下降，平均波速為4800 m/s。并且由于爆破裂隙的存在，在測(cè)試堵水的過程中，可以明顯地看到注水從相鄰孔中流出。

圖7 聲波測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

（1）采用爆破前鉆孔檢測(cè)和爆破后“表面-孔內(nèi)-孔間”的聯(lián)合檢測(cè)方式，可有效觀察鉆孔質(zhì)量以及切頂后的切縫質(zhì)量，且觀測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

（2）選用“2+1+1+2”單孔使用7.35 kg 炸藥的方案，可在爆破過程中產(chǎn)生良好的切縫效果，形成明顯的切縫面。