曹繼翔 CAO Ji-xiang；周向東 ZHOU Xiang-dong；馮向濤 FENG Xiang-tao；張凌寒 ZHANG Ling-han；王林林 WANG Lin-lin；曹晗 CAO Han

（中鐵一局集團第四工程有限公司，咸陽 712099）

0 引言

在煤系地層隧道施工過程中，需穿越大量的煤礦巷道，由于巷道一般埋深較深，為防止受上覆地層重力或者鄰近回采工作面動壓影響而造成圍巖變形甚至損壞，在巷道挖掘后往往需要留設(shè)一定寬度的保護煤柱，以避免其受到周邊擾動影響。但煤柱的留設(shè)首先會造成煤炭資源的浪費。雖然沿空留巷技術(shù)現(xiàn)已被許多煤礦成功采用，但它并不完全適用于所有賦存條件的煤層，特別是當(dāng)煤層較厚或埋深較深時單純沿空留巷效果較差，保留巷道在上覆巖層回轉(zhuǎn)壓力作用下變形巨大，因此切頂卸壓成為必須。目前最成熟與最經(jīng)濟的方法為預(yù)裂爆破切頂[1-3]。切頂卸壓沿空留巷技術(shù)是在沿空留巷基礎(chǔ)上通過對采空區(qū)側(cè)頂板實施預(yù)裂爆破，使留巷上覆巖層斷裂形態(tài)發(fā)生改變[4]。

煤系地層隧道為了沿空巷道留設(shè)采用切頂卸壓的方式切斷巷道直接頂、基本頂傳力路徑，常需要通過深孔預(yù)裂切縫爆破的方式實現(xiàn)[5-7]。由于一般巷道高度在3m左右，井下空間有限，切頂深度根據(jù)上覆巖層賦存特征及開采高度確定，炮孔深度一般在15～40m范圍內(nèi)，裝藥長度一般為6～30m[8]。為了避免因為管道效應(yīng)而造成無法傳爆，需在炮孔內(nèi)全長敷設(shè)導(dǎo)爆索，這樣導(dǎo)致一次性全段裝藥困難。在現(xiàn)場施工過程中，巷道高度大多在3m左右，對于深孔爆破而言一次性全段裝藥難度大，導(dǎo)爆索的布置也有一定的困難，難以保證炸藥成功起爆[9]?，F(xiàn)有的裝藥技術(shù)大多為分段裝藥難以保證完全起爆，深孔裝藥過程易發(fā)生炸藥變形堵塞導(dǎo)致炸藥不能裝到孔底，或裝藥時出現(xiàn)炸藥間隔無法完全起爆，導(dǎo)致安全隱患。

1 工程背景

1.1 煤礦工作面基本情況

某煤礦N2301工作面由膠帶順槽、輔助運輸順槽、高抽巷和切眼組成。膠帶順槽長1184m，輔助運輸順槽長1165m，切眼平距302m，回采平距720m。N2301工作面開采3號煤層，位于山西組的中下部，煤層總厚3.35～9.37m，平均厚度6.35m，煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，厚0～7.45m，平均4.03m，厚度穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)松軟，屬吸水軟化，強度較低；老頂為中～細(xì)粒砂巖，厚0～20.10m，平均5.86m，為半堅硬巖石；煤層直接底為砂質(zhì)泥巖、泥巖、局部為粉砂巖，為軟巖，厚0～2.45m，平均0.70m；老底為細(xì)粒砂巖、中粒砂巖，厚0.45～7.50m，平均3.36m，為半堅硬～堅硬巖石。該煤層全井田可采，結(jié)構(gòu)簡單，厚度變化不大，屬穩(wěn)定型煤層。頂?shù)装鍘r性見表1所示。

表1 圍巖及其特征表

1.2 圍巖運移特征預(yù)測

N2301工作面為該區(qū)的首采工作面，其巖層運移特征參考3號煤層其它采區(qū)的觀測成果。前期的采煤實踐頂板的初次來壓距離為50～60m，周期來壓為20～30m，從楺膜混凝土的來壓特征及底板與側(cè)幫的收縮情況確定再距離工作面150m起楺膜混凝土的壓力開始增加，底鼓及幫縮增加，距離工作面200m時圍巖壓力趨于穩(wěn)定。切頂位置在膠帶順槽工作面一側(cè)，超前工作面100m進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂，切頂位置見圖1所示。

圖1 沿空留巷剖面示意圖

1.3 爆破切頂參數(shù)

1.3.1 頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂鉆孔角度

根據(jù)采高M(jìn)的不同，頂板定向預(yù)裂鉆孔角度（β）按以下經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行確定（還應(yīng)考慮到頂板巖石力學(xué)參數(shù)、工作面頂板垮落情況、煤層傾角、巷道沿底挑頂?shù)纫蛩鼐C合確定）：頂板巖層斷裂后的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性關(guān)系如圖2所示。

圖2 頂板巖層斷裂后的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性關(guān)系

第（a）情況平衡條件為：

（Tcosθ-Rsinθ）·tanφ≥Tsinθ+Rcosθ；≤tan（φ-θ）

第（b）情況平衡條件：

（Tcosθ+Rsinθ）tanφ≥Rcosθ-Tsinθ；≤tan（φ+θ）

從以上公式可知，切頂角度越大越容易垮塌，但角度增大會增加打孔長度，因此結(jié)合以往經(jīng)驗，并考慮N2302工作面膠順槽留巷段切縫孔布置與頂板水平方向夾角取20°。

1.3.2 頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂鉆孔深度

切頂預(yù)裂切縫鉆孔深度與采高、頂板下沉量以及底鼓量及頂板巖層分布狀況等有關(guān)，可通過預(yù)裂切縫深度（H縫）臨界設(shè)計公式、初步分析的頂板巖層分布狀況及關(guān)鍵層位等現(xiàn)場實際，將切頂深度（斜長）暫定為20m。

考慮工作面頂板垮落矸石應(yīng)充分填充采空區(qū)，放頂最小高度H可根據(jù)如下公式初步計算：

式中：M—煤層采高，取煤層平均厚度6.2m；KP—頂板巖層碎脹系數(shù)，取1.31。

經(jīng)計算得：H=20m，即預(yù)裂切縫深度大于20m為宜，故切頂深度（斜長）暫定為20m滿足上述兩種條件。

1.3.3 頂板精準(zhǔn)定向預(yù)裂鉆孔間距

根據(jù)條形（柱狀）藥包爆破波作用區(qū)域的理論，不耦合裝藥條件下壓碎圈半徑和裂隙區(qū)半徑依次為：

②裂隙區(qū)半徑為：

式中：σc—巖體的單軸靜態(tài)抗壓強度，MPa；ε—加載應(yīng)變率，s-1。σr，σθ—煤巖體中的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力，MPa；—比距離，=r/rb，r—計算點到裝藥中心的距離m，rb—炮孔半徑，m；a—載荷傳播衰減指數(shù)，，正、負(fù)號分別對應(yīng)沖擊波區(qū)和應(yīng)力波區(qū)；μd—煤巖體動態(tài)泊松比。

把頂板物理力學(xué)參數(shù)（初步抗壓強度取平均70MPa；抗拉強度為7.8MPa；靜態(tài)泊松比取0.23）和二級煤礦乳化炸藥參數(shù)（炸藥的密度1200kg/m3，炸藥爆速2900m/s），孔徑50mm，聚能管裝藥直徑Φ42mm，裝藥直徑約Φ35mm等參數(shù)代入上式，計算得：破碎區(qū)半徑為0.05m，裂隙區(qū)半徑為0.26m。從鉆孔柱狀可知3號煤頂板為砂巖，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，為保證最終的切縫效果，炮孔間距采用800mm、1000mm兩種方案試驗。最終通過現(xiàn)場鉆孔預(yù)裂爆破的窺視效果，確定最佳的鉆孔間距。本方案參數(shù)暫按1000mm間距來鉆孔預(yù)裂爆破。

從其它工作面的爆破切頂實踐看，炮孔直徑50mm，炮孔間距1m，每m裝藥量為1kg時，切頂效果較好。同時采用8m堵塞能夠完全保證堵塞質(zhì)量，無沖孔，因此影響卸壓效果的唯一因素為切頂高度。從N2301工作面的巖性特征看偽頂與直接頂厚度約為8m，老頂最大厚度為20m。直接頂與偽頂處于堵塞段但其強度較弱不需要切頂也可以在重力作用下冒落，老頂切開10m后剩余厚度能夠在重力作用下冒落。考慮到開采厚度6.4m，當(dāng)散系數(shù)為1.23時冒落28m能夠?qū)崿F(xiàn)頂板觸矸，從而減少圍巖壓力。因此暫定切頂炮孔深度20m，垂直深度17.8m。同時由于在距離工作面200m以外頂板壓力才能逐漸穩(wěn)定，因此在該工作面暫定試驗長度為300m。如果該切頂深度無法達(dá)到卸壓效果可以在剩余420m進(jìn)一步增加切頂深度。根據(jù)2301工作面膠帶順槽的設(shè)備條件，炮孔開口位置距離煤幫1.2m處，上向角度為70度，炮孔開口位置及傾角見圖3所示。

圖3 炮口開口位置及傾角

1.4 裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥工藝

對于頂板切頂預(yù)裂爆破主要的問題是裝藥，傳統(tǒng)的裝藥方法是分節(jié)裝藥，每一節(jié)長1.5～2.5m，但由于需要全長敷設(shè)導(dǎo)爆索，因此無法實現(xiàn)導(dǎo)爆索與炸藥的密切貼合，而且由于孔較深無法保證每一節(jié)裝藥相互連接，因此給所有炸藥的準(zhǔn)確起爆帶來風(fēng)險。本文提出了采用由兩個半圓硬質(zhì)柔性PVC管組成的聚能裝藥結(jié)構(gòu)（如圖4所示，裝藥結(jié)構(gòu)剖面圖如圖5所示）。

圖4 現(xiàn)場裝藥過程中的深孔柔性聚能裝藥結(jié)構(gòu)

圖5 裝藥結(jié)構(gòu)的剖面圖

2 爆破后效果

現(xiàn)場預(yù)裂爆破完成后，通過補打窺視孔對超前預(yù)裂切縫效果進(jìn)行窺視，窺視孔必須保證在兩個爆破炮孔的連線中點，窺視孔打設(shè)完成后，采用CXK12礦用鉆孔成像儀進(jìn)行成縫效果窺視。聚能預(yù)裂爆破孔內(nèi)窺視結(jié)果如圖6所示。

圖6 聚能預(yù)裂爆破效果窺視圖

通過窺視孔可以看出，兩爆破孔之間貫通性較好，切縫明顯，孔壁保留完整，滿足預(yù)裂縫要求。通過窺視結(jié)果可以看出，整體柔性聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破能夠有效形成斷裂面，也解決了一次全段裝藥的需求，有效提高裝藥效率，保證裝藥質(zhì)量。