張學(xué)亮，徐 剛，2，張會(huì)軍，2，孫曉冬

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采絕大多數(shù)采用全部垮落法管理頂板，頂板能夠隨著工作面推進(jìn)而自行垮落是長(zhǎng)壁工作面實(shí)現(xiàn)安全回采的首要條件。堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度高,節(jié)理、裂隙不發(fā)育, 具有整體性好和自穩(wěn)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，當(dāng)煤層頂板為堅(jiān)硬難垮落頂板時(shí)，回采過(guò)程中容易形成大面積懸頂。當(dāng)采空區(qū)大面積突然垮落時(shí)極易形成颶風(fēng)和強(qiáng)沖擊載荷，容易造成人員傷亡和設(shè)備損壞，而且容易造成瓦斯瞬間涌出，誘發(fā)瓦斯重特大事故，當(dāng)煤巖體有沖擊傾向性時(shí)，還容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。為了達(dá)到工作面安全、高產(chǎn)高效生產(chǎn), 必須對(duì)此類(lèi)頂板進(jìn)行處理, 改變頂板巖體的物理力學(xué)性質(zhì), 以減小頂板懸露面積, 防止或減弱這種大面積頂板來(lái)壓。[1，2]深孔爆破弱化堅(jiān)硬頂板是較為常用的一種方法，它屬于無(wú)限介質(zhì)爆破, 沒(méi)有自由面, 爆破主要靠沖擊波和爆生氣體形成的破碎區(qū)和裂隙區(qū)弱化頂板。

1 深孔爆破機(jī)理

藥包爆破時(shí),一般工業(yè)炸藥爆震面上的壓力可達(dá)5～10 GPa,煤巖體受到這種超高壓的沖擊,在藥包周?chē)男〔糠謳r體,由于受到強(qiáng)烈壓縮,其溫度大于3000℃,所以,這部分巖體呈熔融狀塑性流態(tài),形成空腔。隨著沖擊波的傳播,爆炸能量向四周釋放,爆炸氣體壓力和溫度急驟下降,其周?chē)廴跔顜r體的應(yīng)力狀態(tài)迅速解除,這就引起這部分巖體的向心運(yùn)動(dòng),將熔融狀巖體粉碎成細(xì)微顆粒,形成壓碎圈。由于巖體的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度很大,壓碎圈消耗了沖擊波很大一部分能量,致使沖擊波在壓碎區(qū)衰減很快,沖擊波傳播到一定距離以外時(shí),其壓力已不足以將煤巖體壓成塑性流體,沖擊波衰減成應(yīng)力波；壓碎圈只限于一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)。[3]

當(dāng)沖擊波進(jìn)入壓碎圈外圍的巖體時(shí),其外圍的煤巖體受到強(qiáng)烈的徑向壓縮產(chǎn)生徑向移動(dòng), 因而導(dǎo)致巖殼的擴(kuò)張；巖殼的擴(kuò)張引起環(huán)向拉伸,即在環(huán)向引起拉應(yīng)力；由于煤巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度只及其抗壓強(qiáng)度的1/10左右,所以,環(huán)向拉應(yīng)力很容易大于巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度極限,在巖體中產(chǎn)生徑向裂縫,徑向裂縫的發(fā)展速度一般是沖擊波波速的0.15～0.4倍。徑向裂縫和壓碎圈貫通后,爆炸產(chǎn)物的壓力雖然由于藥室體積的擴(kuò)大而降低,但仍可鉆進(jìn)裂縫,像尖劈一樣使裂縫進(jìn)一步發(fā)展,形成環(huán)向作用的拉應(yīng)力場(chǎng),形成裂隙圈,裂隙圈大于壓碎圈。

對(duì)于弱化堅(jiān)硬頂板來(lái)說(shuō)，主要是利用破碎區(qū)和裂隙區(qū)形成的弱面、空腔、裂隙等對(duì)頂板進(jìn)行弱化。[4]

2 深孔爆破影響參數(shù)分析

在進(jìn)行深孔爆破前要綜合考慮各方面的影響因素，以達(dá)到最佳的爆破效果。深孔爆破前的地質(zhì)條件和工作面條件一般已經(jīng)確定，只能通過(guò)采用合理的深孔爆破參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化爆破效果。爆破參數(shù)中對(duì)爆破效果影響最大的參數(shù)有鉆孔長(zhǎng)度、孔間距、裝藥量、封孔長(zhǎng)度及裝藥結(jié)構(gòu)。[5]在爆破孔直徑、鉆孔長(zhǎng)度確定之后，裝藥量也就相應(yīng)確定了，實(shí)際上確定爆破參數(shù)就是確定布孔參數(shù)，包括孔長(zhǎng)、孔間距，孔徑、封孔長(zhǎng)度四個(gè)主要參數(shù)及裝藥結(jié)構(gòu)。

2.1 鉆孔長(zhǎng)度

確定鉆孔長(zhǎng)度主要考慮到工作面堅(jiān)硬頂板的厚度、鉆機(jī)能力、裝藥機(jī)能力、煤礦導(dǎo)爆索每卷長(zhǎng)度，其中堅(jiān)硬頂板厚度應(yīng)優(yōu)先考慮，使堅(jiān)硬頂板巖體都在爆破作用范圍內(nèi)。

按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,有效放頂深度H至少為：

(1)

式中：M為工作面割煤高度, m；Kp為巖石破碎后的體積膨脹系數(shù)。

確定炮孔有效放頂深度H之后便可根據(jù)炮孔角度計(jì)算得出鉆孔長(zhǎng)度，炮孔長(zhǎng)度一般在10～50m不等。鉆機(jī)一般可以順利鉆進(jìn)50～70m，導(dǎo)爆索出廠時(shí)，一般每卷長(zhǎng)度50m，當(dāng)孔深超過(guò)50～60m時(shí)，就需要接導(dǎo)爆索，在設(shè)計(jì)鉆孔長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)考慮這一因素。

2.2 鉆孔直徑

鉆孔直徑實(shí)際上就是裝藥直徑?？讖皆酱螅谱饔梅秶驮酱?。然而孔徑增大要受到許多因素的限制。首先受到鉆機(jī)能力的限制。對(duì)于功率一定的鉆機(jī)，孔徑增大，鉆進(jìn)速度會(huì)明顯降低，鉆同樣深的孔徑就要增加鉆進(jìn)時(shí)間，經(jīng)濟(jì)上是不合理的。其次，受堅(jiān)硬頂板巖體條件的限制。對(duì)于完整性較差的堅(jiān)硬頂板，容易出現(xiàn)鉆孔變形和塌孔現(xiàn)象。第三，孔徑過(guò)大會(huì)給封孔造成困難。爆破孔徑應(yīng)確定在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，根據(jù)分析計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，爆破孔徑在50～100 mm之間較為合理。

2.3 鉆孔間距

鉆孔間距與頂板條件及爆破孔孔徑有關(guān)，此外還受經(jīng)濟(jì)因素的制約。頂板條件一定時(shí)，孔間距應(yīng)與爆破孔直徑相匹配，即孔間距與孔徑之比應(yīng)在一個(gè)合理的范圍內(nèi)才能取得良好的爆破效果。在優(yōu)先保證良好的爆破效果的前提下，應(yīng)盡量地增大孔間距。

2.4 封孔長(zhǎng)度

封孔長(zhǎng)度應(yīng)保障炮孔爆破不影響直接頂相對(duì)穩(wěn)定層,工作面不片幫、不漏頂,炮孔中炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的高壓氣體不沖出孔口。結(jié)合以往深孔爆破經(jīng)驗(yàn),[6]封孔長(zhǎng)度一般為炮孔長(zhǎng)度的1/3。

2.5 裝藥結(jié)構(gòu)

裝藥結(jié)構(gòu)可采用連續(xù)耦合裝藥和不耦合裝藥，輔以煤礦導(dǎo)爆索正向起爆。采用耦合裝藥時(shí), 炸藥爆炸生成的爆轟波和高溫、高壓爆生氣體產(chǎn)物直接沖擊炮孔孔壁, 而不耦合裝藥時(shí), 通過(guò)炮孔與藥卷間隙中的不耦合介質(zhì)(空氣和水) 間接地沖擊炮孔孔壁, 在炮孔周?chē)鷰r石中激起沿徑向傳播的沖擊波, 造成巖石的動(dòng)態(tài)沖擊壓縮破碎。文獻(xiàn)[7]采用AUTODYN數(shù)值模擬軟件分析了不耦合系數(shù)對(duì)爆破效果的影響。數(shù)值分析表明：隨著不耦合系數(shù)的增加, 爆破產(chǎn)生的裂隙區(qū)直徑在增大, 破碎區(qū)半徑在減少。因此，采用不耦合裝藥進(jìn)行深孔爆破。

3 應(yīng)用實(shí)例

某礦大采高綜采工作面采高為4.3 m，工作面長(zhǎng)度為130 m，采用ZZ7500/22/45支架。煤層直接頂為厚3.7 m的粉砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度為39.6MPa；基本頂為厚14.57 m的中粗砂巖， 單軸抗壓強(qiáng)度為81.7 MPa，直接頂和基本頂都較硬，特別是基本頂，不易垮落，為了保證安全高效生產(chǎn)，需對(duì)頂板進(jìn)行弱化處理。

工作面頂板處理方法選用超前深孔爆破預(yù)處理,即在上、下巷或?qū)Ｓ孟锏?工藝巷) 進(jìn)行施工,生產(chǎn)與頂板處理平行作業(yè),不影響工作面正常生產(chǎn),有利于工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。該工作面屬大采高綜采,如果布置爆破工藝巷,需沿煤層頂板掘巖巷,將大幅度增加開(kāi)采成本,因此采用了兩巷深孔爆破方法。為解決初采和正?；夭善陂g的工作面來(lái)壓?jiǎn)栴}，深孔爆破分為切眼拉槽爆破和兩巷步距爆破。

(1)頂板處理高度

工作面設(shè)計(jì)采高為4.3m,為保證冒落頂板能完全充填采空區(qū),取巖石破碎后的體積膨脹系數(shù)1.4，按式(1)計(jì)算，得到工作面頂板巖層處理高度為10.75m。

(2)炮孔布置

爆破炮孔直徑65mm,炸藥直徑為50mm,裝藥不耦合系數(shù)取1.3,封孔長(zhǎng)度為炮孔深度的20%～30%,一次起爆藥量最多為500kg。

切眼炮孔布置如圖1和圖2所示，各炮孔參數(shù)見(jiàn)表1。兩順內(nèi)炮孔布置見(jiàn)圖3和圖4，上層炮孔終孔與巷頂垂直距離為15m,下層炮孔終孔與巷頂垂直距離為10m，各炮孔參數(shù)如表2和表3所示。

圖1 切眼炮孔平面布置

圖2 切眼炮孔剖面布置

圖3 兩巷炮孔平面布置

表1 切眼炮眼參數(shù)與裝藥量

圖4 兩巷炮孔剖面布置

表2 運(yùn)輸巷內(nèi)炮眼參數(shù)與裝藥量

表3 回風(fēng)巷內(nèi)炮眼參數(shù)與裝藥量

根據(jù)對(duì)未進(jìn)行弱化處理的頂板分析計(jì)算,基本頂初次來(lái)壓步距為64m且來(lái)壓強(qiáng)烈；工作面頂板經(jīng)過(guò)處理后,基本頂初次來(lái)壓步距縮小為34m且來(lái)壓不強(qiáng)烈,工作面沒(méi)有受到大的沖擊。實(shí)踐表明,深孔爆破處理堅(jiān)硬頂板是可行的。

4 結(jié) 論

(1)深孔爆破主要是利用破碎區(qū)和裂隙區(qū)形成

的弱面、空腔、裂隙等對(duì)頂板進(jìn)行弱化。

(2)通過(guò)對(duì)主要影響因素的分析得到，深孔爆破鉆孔長(zhǎng)度一般不超過(guò)50 m，鉆孔直徑一般在50～100 mm，封孔長(zhǎng)度一般為孔長(zhǎng)的1/3，裝藥結(jié)構(gòu)采用不耦合裝藥。

(3)實(shí)踐表明，深孔爆破處理堅(jiān)硬頂板是可行的。

[1] 孫建軍，徐剛.深孔爆破弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)的應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采.2008(6):89-90.

[2] 張祝濤，張龍江.堅(jiān)硬頂板深孔爆破強(qiáng)制放頂?shù)膶?shí)踐[J].現(xiàn)代礦業(yè).2009(5):80-81.

[3] 喻長(zhǎng)智.巖石爆破混沌模型與條形藥包爆破應(yīng)力波衰減規(guī)律的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2001.

[4] 王華民，夏孝明，王永勝.綜放工作面硬頂煤深孔預(yù)裂爆破技術(shù)的應(yīng)用[J].山東煤炭科技.2001(3)：9-10.

[5] 鄭福良，董春海.單一低透氣性煤層中深孔爆破預(yù)裂爆破的合理參數(shù)確定[J].煤礦爆破.1997(4):1-3.

[6] 張祝濤，張龍江.堅(jiān)硬頂板深孔爆破強(qiáng)制放頂?shù)膶?shí)踐[J].現(xiàn)代礦業(yè).2009(5):80-81.

[7] 徐剛，劉全明.深孔爆破弱化堅(jiān)硬頂板不耦合系數(shù)研究[J].煤礦開(kāi)采.2009(2):20-23.