趙亞軍，孔維科，陰 磊，馮 偉，2

（1．內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000；2．山西潞安礦業(yè)集團(tuán)，山西 長(zhǎng)治 046299）

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

深孔預(yù)裂爆破法在頂板弱化處理中的應(yīng)用

趙亞軍1，孔維科1，陰 磊1，馮 偉1，2

（1．內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000；2．山西潞安礦業(yè)集團(tuán)，山西 長(zhǎng)治 046299）

堅(jiān)硬頂板具有強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育的特點(diǎn)，其整體性和自穩(wěn)能力比較強(qiáng)，在開采過程中易形成大面積的懸頂，給工作面的安全生產(chǎn)帶來隱患。因此，為能夠達(dá)到工作面安全與高效生產(chǎn)，必須對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行處理，使處理后的頂板巖體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，減小堅(jiān)硬頂板的懸露面積，避免發(fā)生大面積頂板來壓。本文以常村礦S6-2工作面為例，論述了深孔預(yù)裂爆破方法在堅(jiān)硬頂板弱化方面的應(yīng)用。

頂板弱化；深孔預(yù)裂爆破；堅(jiān)硬頂板；懸頂

1 工程及地質(zhì)概況

常村礦S6-2工作面位于北宋杜村東北部。南臨S6采區(qū)放水巷、東北接S翼軌道巷及S6軌道上山、東鄰S6-3工作面（未布置）、西鄰S6-1工作面（未布置）。所采3#煤層，煤厚平均5．84 m，煤層埋藏深度為351．5～415．8 m。根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告和S6-2綜放工作面作業(yè)規(guī)程及現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果可知，工作面頂板主要由泥巖、灰白色中砂巖（局部相變?yōu)闇\灰色細(xì)砂巖）。直接頂為1層厚1．11～1．55，平均1．34 m的灰黑色泥巖；老頂為厚度0．8～10．8 m，平均7．02 m的灰白色中砂巖（局部相變?yōu)闇\灰色細(xì)砂巖），老頂砂巖單軸平均抗壓強(qiáng)度在111．9～115 MPa（普氏硬度f(wàn)=11．19～11．5）。由于老頂巖層厚度大，致密堅(jiān)硬，回采過程中不易垮落，易形成大面積懸頂。因此，為了安全開采，需對(duì)老頂進(jìn)行弱化處理。

2 S6-2工作面頂板垮落方法的選擇

國(guó)內(nèi)外堅(jiān)硬頂板的處理方法主要有頂板注水弱化法、爆破弱化法等。

由于不同的巖石注水后強(qiáng)度的變化不一樣，在對(duì)頂板巖層采用注水方法弱化前，首先要對(duì)頂板巖層進(jìn)行浸水試驗(yàn)，只有進(jìn)行浸水實(shí)驗(yàn)后，其強(qiáng)度明顯降低的巖體才適宜采用注水的方式進(jìn)行弱化。根據(jù)常村煤礦3#煤層S6-2工作面頂板綜合柱狀可知，工作面頂板中7．02 m厚致密堅(jiān)硬的老頂砂巖為主要弱化處理對(duì)象，砂巖的強(qiáng)度受注水影響不明顯，而且，由于注水軟化法存在著周期長(zhǎng)、工序繁瑣等不足。因此，S6-2工作面頂板處理方法不宜選用注水弱化的方法處理頂板。

現(xiàn)有資料表明，國(guó)內(nèi)外控制堅(jiān)硬頂板的主要方法為爆破，其爆破頂板處理方法有很多種，如步距式深孔爆破、循環(huán)式淺孔爆破、超前深孔松動(dòng)爆破等。由于超前深孔松動(dòng)爆破不影響工作面生產(chǎn)，且效果較明顯，應(yīng)用較廣。所以，選用深孔預(yù)裂爆破方法對(duì)S6-2工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化處理。

3 深孔預(yù)裂爆破的基本理論

3．1 爆破作用效果

炸藥爆破時(shí)，處于藥包周圍的煤巖體由于受到強(qiáng)烈沖擊波作用，形成各破壞區(qū)域，見圖1。

3．2 柱狀藥包在煤巖體中爆破產(chǎn)生的載荷

根據(jù)聲學(xué)相似理論，藥包在不耦合條件下，煤巖體中被包裹的柱狀藥包爆炸后，會(huì)向煤巖體施加一個(gè)壓力P：

圖1 破壞區(qū)域分布示意圖

式中：

P0—炸藥爆轟壓，MPa；

K—徑向不耦合系數(shù)，K=db／dc，db、dc分別為炮孔的半徑、藥包半徑，mm；

η—爆轟產(chǎn)物的膨脹絕熱指數(shù)，取3；

lc—裝藥時(shí)沿藥包軸方向系數(shù)，取1；

n—炸藥爆炸產(chǎn)物膨脹碰撞炮孔壁時(shí)的壓力增大系數(shù)，取10；

ρ0—炸藥密度，kg／m3；

Dv—炸藥爆速，m／s。

透射沖擊波在煤巖體中傳播時(shí)，由于其強(qiáng)度受到阻力會(huì)不斷衰減，直至衰變成能量較小的應(yīng)力波。位于煤巖體中的任何一點(diǎn)所能引起的徑向、切向應(yīng)力值大小，可分別表示為：

式中：

σr—煤巖體中的徑向應(yīng)力，MPa；

σθ—煤巖體中的切向應(yīng)力，MPa；

一般煤巖體的泊松比會(huì)隨應(yīng)變率的減小而呈逐漸增大趨勢(shì)。根據(jù)對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)的研究總結(jié)，可以認(rèn)為，在加載率允許的范圍內(nèi)有：

式中：

μ—煤巖體靜態(tài)泊松比。

3．3 爆炸載荷作用下的破壞準(zhǔn)則

在外載荷作用下，材料發(fā)生破壞時(shí)，其準(zhǔn)則應(yīng)取決于材料本身的承受能力和實(shí)際受力狀況。根據(jù)有關(guān)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明：在煤巖體爆炸破壞過程中，煤巖體被壓縮變形成為壓碎區(qū)，煤巖體受拉伸作用形成裂隙區(qū)。

煤巖體中任一點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度值大小為：

根據(jù)Mises準(zhǔn)則，當(dāng)煤巖體要想發(fā)生破壞，應(yīng)滿足如下數(shù)量關(guān)系式：

式中：

σ0—煤巖體單軸受力條件下的破壞強(qiáng)度，MPa；

σcd、σtd—煤巖體的單軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、單軸動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa。

對(duì)一些較為常見的煤巖體進(jìn)行爆破時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有的資料可知，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系表示為：

式中：

σc—煤巖體的單軸靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa；

ε—加載應(yīng)變率，s-1。

根據(jù)相關(guān)資料研究表明，在壓碎圈內(nèi)，ε可在100～104s-1范圍內(nèi)取值；在壓碎圈外，煤巖體加載率較低，ε可在102～103s-1之間取值。由于煤巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度受ε值的影響不是很大，在煤巖體工程爆破的ε值范圍內(nèi)可取：

式中：

σt—煤巖體的單軸靜態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa。

3．4 條形（柱狀）藥包爆破波的作用區(qū)域理論

通過對(duì)上述波動(dòng)力學(xué)的研究分析，結(jié)果表明：當(dāng)煤巖體發(fā)生爆炸時(shí)，產(chǎn)生的載荷沖擊波將首先作用于煤巖體介質(zhì)內(nèi)。沖擊波在傳播過程中，爆炸能量向煤巖體周圍釋放，隨著能量逐漸減少，爆炸氣體壓力和溫度會(huì)發(fā)生急聚下降，致使位于其周圍熔融狀的煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)得以快速解除，這就使煤巖體具有很大的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，由于煤巖體的壓碎圈消耗掉了沖擊波的絕大多數(shù)能量，使爆炸沖擊波在其附近區(qū)域衰減比較明顯，因此，筆者認(rèn)為首先研究爆破沖擊波作用區(qū)域，從理論計(jì)算和工程實(shí)際方面都有著及其重要的意義。

1）壓碎圈半徑。

對(duì)于柱狀藥包，可以認(rèn)為其周圍的煤巖體在強(qiáng)烈的沖擊波作用下變?yōu)椴豢蓧嚎s流體，在不耦合裝藥條件下，且不耦合系數(shù)較小時(shí)，相應(yīng)的壓碎圈半徑為：

式中：

2）裂隙區(qū)半徑。

由式（6）得：

式中：

在壓碎圈與裂隙區(qū)的分界面上，由式（10）可得：

式中：

σR—壓碎區(qū)與裂隙區(qū)分界面上的徑向應(yīng)力，MPa。

根據(jù)強(qiáng)度準(zhǔn)則，煤巖體出現(xiàn)裂隙區(qū)域時(shí)的半徑為：

把式（11）代入式（12）得不耦合裝藥條件下裂隙區(qū)半徑為：

把有關(guān)頂板物理力學(xué)的各個(gè)參數(shù)（細(xì)粒砂巖單軸平均抗拉強(qiáng)度3．1 MPa，單軸平均抗壓強(qiáng)度111．9 MPa；中砂巖單軸平均抗拉強(qiáng)度1．9 MPa，單軸平均抗壓強(qiáng)度115 MPa；靜態(tài)泊松比取0．23）和3號(hào)乳化炸藥參數(shù)（炸藥爆速2 800 m／s，炸藥的密度1 194．265 kg／m3，不耦合系數(shù)1．25）分別代入到式（9）、式（13）中，最后計(jì)算可得煤巖體破碎區(qū)半徑為479．6～485．5 mm，裂隙區(qū)半徑為3 663．5～4 842．4 mm。以上參數(shù)可為礦上提供，參考三元煤礦3#煤層頂板巖層的力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為109．7 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度為6．1 MPa，計(jì)算得破碎區(qū)半徑為489．9 mm，裂隙區(qū)半徑為2 496．0 mm。

4 頂板深孔預(yù)裂爆破方案

4．1 頂板處理高度確定

為使S6-2工作面頂板垮落矸石充分填充采空區(qū)，放頂最小高度H可根據(jù)如下公式初步計(jì)算：

式中：

M—煤層采高，m，取煤層平均厚度3．0，初采期間，頂煤不放；

KP—頂板巖（煤）層初始碎脹系數(shù)，取1．30。

經(jīng)計(jì)算得：H=10．0 m。

根據(jù)S6-2工作面頂板地質(zhì)賦存情況，開切眼頂板由上到下依次為中砂巖（老頂，平均厚度為7．02 m）、灰黑色泥巖（直接頂，厚度為1．2～1．34 m）；頂煤（頂煤厚度平均為2．0～2．58 m）。其中，老頂為此次頂板弱化的主要處理對(duì)象，故初步確定開切眼放頂煤頂板處理高度應(yīng)至少為10．94 m，本次頂板炮孔的垂直高度確定為沿工作面頂板至上方11 m范圍處。

4．2 炮眼布置

根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，深孔爆破孔徑宜選定為75 mm，封泥長(zhǎng)度為炮孔長(zhǎng)度的20%～30%左右，徑向裝藥不耦合系數(shù)為1．25。

1）切眼爆破炮孔布置。

在切眼內(nèi)距開切眼外幫1．0～1．5 m處頂板打眼（考慮頂板錨桿、錨索位置，可在此范圍內(nèi)調(diào)整）。209 m長(zhǎng)的切眼共布置32個(gè)炮孔：A、B孔各8個(gè)（A1～A8、B1～B8），C孔7個(gè)（C1～C7），D、E、F、G、I、J、K、L、M各1個(gè)。從皮順到軌順方向依次布置的炮眼編號(hào)為：I、J、K、L、B8、A8、C7、B7、A7、C6、B6、A6、C5、B5、A5、C4、B4、A4、C3、B3、A3、C2、B2、A2、M、A1、B1、C1、D、F、E、G。切眼切斷爆破中施工炮眼總長(zhǎng)617．83 m；裝藥總長(zhǎng)度348 m，藥量1 044 kg；封泥長(zhǎng)度269．8 m。

2）順槽破炮孔布置。

在皮順巷道內(nèi)施工1個(gè)炮眼（N孔）長(zhǎng)13．0 m，仰角64°。N孔距皮順巷外幫0．7 m左右，距切眼內(nèi)幫1．5 m左右，炮孔布置見圖2。N孔裝藥長(zhǎng)度7．5 m，裝藥量22．5 kg。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況對(duì)每個(gè)炮孔做進(jìn)一步裝藥量?jī)?yōu)化處理，需準(zhǔn)備炸藥量1 200 kg。S6-2工作面頂板弱化處理設(shè)計(jì)炮孔參數(shù)與裝藥量見表1。

圖2 皮帶順槽炮孔布置圖

表1 放頂各炮孔參數(shù)與裝藥量表

4．3 炮孔爆破

根據(jù)炮孔設(shè)計(jì)進(jìn)行打眼，裝藥、聯(lián)線和爆破。

放炮使用BF-200型起爆器，分組裝藥、分次爆破。一茬炮聯(lián)線采用“總體串聯(lián)，局部并聯(lián)”的方式進(jìn)行爆破，每次起爆炮孔1～2個(gè)，但最多不要超過3個(gè)炮孔，以免影響整體爆破效果。起爆順序從切眼的皮順向軌順方向：I、J、K→L、B8、A8→C7、B7、A7→C6、B6、A6→C5、B5、A5→C4、B4、A4→C3、B3、A3→C2、B2、A2→M→A1、B1→C1、D→F、E、G。設(shè)計(jì)炮孔爆破完成后，視頂板情況再對(duì)皮帶順槽N炮孔進(jìn)行裝藥爆破。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過探討深孔預(yù)裂爆破技術(shù)的具體工程實(shí)踐，介紹了深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在預(yù)先破壞頂板的完整性，減小頂板懸露面積，縮小頂板初次垮落步距，防止或減弱大面積懸頂給生產(chǎn)帶來的隱患。同時(shí)也可以提前回收放頂煤，實(shí)現(xiàn)S6-2工作面安全、高效生產(chǎn)。本研究成果不僅在本礦區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景，而且在國(guó)內(nèi)類似條件的礦區(qū)也有重要的推廣、使用價(jià)值，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

TD235．33

B

1672-0652（2013）10-0061-04

2013-07-02

趙亞軍（1959—），男，河北秦皇島人，1983年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)，教授、碩士研究生導(dǎo)師，主要從事礦業(yè)工程等方面的教學(xué)及科研工作，（E-mail）526541909＠qq．com