徐衛(wèi)東

（焦作煤業(yè)集團趙固（新鄉(xiāng)）能源有限責任公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

沿空留巷技術憑借其無煤柱優(yōu)勢成為了我國煤炭綠色高效開采的發(fā)展方向之一[1]，切頂自成巷技術取消了巷旁充填體，是近年來一種新型的沿空留巷方式[2-3]。該技術利用頂板定向切縫技術，切斷巷道懸頂結構，削弱巷道上方力的傳遞[4]。目前，國內礦井大多采用聚能爆破技術進行切頂，其技術體系和裝備也逐漸完善[5]。

目前，國內學者對沿空留巷問題進行了大量研究，何滿潮等[6]認為煤層開采后頂板的空頂面積較大，導致下方的支撐物產生變形，并且產生了應力集中現(xiàn)象，為了使堅硬頂板產生破斷，提出了爆破切頂預裂技術。預裂切頂主要通過人為干預減小巷道頂板懸臂梁長度，讓回采動壓向深部轉移，減輕其對留巷區(qū)域附近煤體的影響。王晉勇等[7]基于數(shù)值模擬分析了不同開采距離下圍巖結構的演化規(guī)律，配合采用深孔聚能爆破技術實現(xiàn)了深井頂板堅硬致裂。王炯等[8]研究了切頂后留巷區(qū)域頂板的應力分布和應力傳遞，明確了切縫角度和切縫高度對應力優(yōu)化的影響。上述學者的研究推動了我國沿空留巷切頂卸壓技術的發(fā)展，但在深埋薄基巖切頂卸壓沿空留巷中，受掘進、采動、爆破等動壓影響，塑性區(qū)大，圍巖破碎、巷道變形嚴重，深埋薄基巖聚能爆破切頂卸壓技術仍存在一些技術難題。

鑒于此，該文以趙固一礦16061 工作面為研究背景，結合理論分析、數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場工業(yè)性試驗互相協(xié)同的手段，對深埋薄基巖礦區(qū)聚能爆破切頂卸壓的適應性和可靠性進行研究，以期為類似條件下礦井的聚能爆破技術提供借鑒方案。

1 工程概況

16061 工作面屬于礦井-525 m 水平，位于礦井北翼，所屬盤區(qū)為西六盤區(qū)，工作面目前開采二1煤層，其底板標高為-414.1～-464.4 m，對應地面位置標高為+84.7～+86.4 m，平均埋深為526 m。二1煤層上覆基巖厚度較薄，第四系和新近系厚松散層直接覆蓋在基巖上部，第四系、新近系厚松散層平均厚度480 m，基巖平均厚度44.8 m。

16061 工作面采用走向長壁采煤方法，采用綜合機械化采煤工藝，主采二1 煤層平均厚度6.0 m，沿煤層頂板回采，采高3.0～3.5 m，煤層平均傾角為4°，工作面長1 474.2 m，寬145 m，采用全部垮落法管理采空區(qū)。工作面如圖1 所示。

圖1 工作面布置示意圖

16061 上順槽回采后進行沿空留巷，16051 上順槽采用沿空留巷供16061 作為下順槽使用。16061上順槽沿煤層頂板掘進，采用矩形斷面，巷道尺寸為：凈寬5 m，凈高3.2 m，長度1 935.31 m，采用錨網(wǎng)索+槽鋼梁支護。16061 上順槽頂板存在平均厚度1 m 的泥巖偽頂，順槽直接頂為砂質泥巖，平均厚度2.0 m；基本頂為中粒砂巖，平均厚度15.6 m；直接底巖性主要為泥巖和砂質泥巖，平均厚度15 m。16061 上順槽頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 16061 上順槽頂?shù)装迩闆r表

2 聚能爆破技術原理

聚能爆破技術[9]主要利用聚能裝藥裝置，使給定方向上的張拉應力集中，促使在巖層中產生預裂面，如圖1 所示。在聚能裝置的作用下，集中爆轟沖擊波向聚能孔傳遞聚集后作用于孔壁，強沖擊力作用于孔壁后，孔壁上形成初始裂隙；聚能管發(fā)揮聚能作用，孔壁受力進一步集中，初始裂隙受力擴展。隨著沖擊波衰減為應力波，初始裂隙承受應力波和爆生氣體共同推動的準靜壓作用，裂隙不斷向孔壁兩側深處擴展形成貫穿型裂隙，從而實現(xiàn)有效預裂切縫[10]。

炸藥起爆后孔內出現(xiàn)爆轟產物流，該爆轟產物流受聚能管的聚能作用影響轉化為巖石沖擊作用力，在聚能孔位置以沖擊作用力p直接作用于孔壁巖石：

式中：ρ0為爆破孔內爆轟產物的密度，kg/m3；D為炸藥的爆速，m/s；VC為爆破孔裝藥體積，m3；Vb為爆破孔體積，m3；n為孔內壓力增大系數(shù)，n=8～11。由圖2 可知，聚能管的存在使得整個炮孔壁和聚能孔位置B 出現(xiàn)壓力差。該壓力差在聚能孔位置（范圍B 內）巖石內部產生剪切力τ，沖擊作用力p和剪切力τ導致聚能孔位置巖石發(fā)生局部剪切滑移，剪切滑移線如圖2（b）所示。假設孔壁剪切滑移深度為孔壁初始裂紋長度，此時可知：

圖2 聚能爆破原理圖

式中：a為剪切滑移深度（爆破孔壁初始裂紋長度），m；B為聚能孔直徑，mm；φ為爆破孔巖石內摩擦角，（°）。

3 聚能爆破關鍵參數(shù)設計

以趙固一礦典型深埋薄基巖工作面為工程背景，在16061 上順槽頂板通過聚能爆破預裂方式進行頂板預裂切縫，切斷16061 上順槽基本頂之間的部分結構，減小其應力聯(lián)系，同時利于回采后采空區(qū)頂板沿切縫面垮落形成巷幫。聚能爆破關鍵技術參數(shù)設計如下：

3.1 爆破孔深度

聚能爆破切割巷道一側頂板是沿空留巷切頂卸壓技術的核心，為最大限度減緩頂板沿空回轉對沿空巷道的影響，應使得垮落的巖層充滿采空區(qū)，對上部巖塊起到支撐作用。若垮落的矸石無法充滿采空區(qū)，無法對上位巖層起到支撐作用，上位巖層運動會對沿空巷道施加壓力，此時需增加切頂高度。為使切頂后垮落的頂板碎石能夠充填滿采空區(qū)形成巷幫，爆破孔深度原則上須大于冒落帶高度，依據(jù)巖石的碎脹特性，理想狀態(tài)下切頂高度應滿足下式：

式中：h為爆破孔深度，m；h0為工作面采高，m；K為切頂巖層碎脹系數(shù)。

結合實際切頂情況，趙固一礦16061 上順槽上覆基巖屬于二疊系巖層，成巖時期相對較晚，屬于中硬巖石，巖石碎脹系數(shù)平均1.24。目前最大采高3.5 m，不考慮底鼓以及頂板下沉的影響，理論爆破孔深度h=3.5/（1.24-1）m ≈15.0 m。

3.2 爆破孔角度

趙固一礦16061 上順槽直接頂為平均厚度2 m砂質泥巖，巖層較薄且軟，大部分隨回采破壞垮落，切頂對其影響較小。基本頂為平均厚度15.6 m 的中粒砂巖，當采用切頂卸壓工藝時，切頂卸壓技術主要切落頂板形成穩(wěn)定巷幫，因此，要求預裂切縫能夠使巖塊B 沿切縫滑落，且盡量避免其回轉變形。留巷區(qū)域切頂巖塊結構如圖3 所示。

圖3 關鍵塊受力分析示意圖

結合趙固一礦的實際條件，將基本頂中粒砂巖層的斷裂面與垂直面的角度設為θ，根據(jù)砌體梁理論和圍巖結構S-R 穩(wěn)定原理可知，巖塊B 失穩(wěn)后滑落需滿足如下條件：

式中：T為巖塊所受水平推力，T=ql2/[2（h-△s）]，kN；R為巖塊所受剪力R=ql，kN；l為基本頂巖塊的長度，m；q為基本頂?shù)妮d荷系數(shù)，kN/m；h為基本頂?shù)暮穸龋琺；θ為切頂角度，（°）。

化簡后得：

式中：φ為巖塊間的摩擦角，巖石摩擦角為25°～35°，潮濕環(huán)境下平均降低3°。結合趙固一礦井下實際條件，取基本頂巖塊間摩擦角為22°～32°。

二1煤基本頂中粒砂巖平均厚度15.6 m，直接頂砂質泥巖和偽頂泥巖平均3 m，考慮碎脹系數(shù)1.25～1.3，當直接頂全部垮落后，因工作面采高在3.0～3.5 m 之間變化，基本頂最大下沉量取2～2.75 m。巷道切頂后上覆基本頂板破斷結構的一般規(guī)律如圖4（a）所示。依據(jù)巷道頂板觀測及頂板結構演化分析結果，16061 工作面回采后采空區(qū)上覆基本頂破斷形成等腰三角塊體的長度約L=50～60 m，如圖4（b）所示。根據(jù)上述理論，不考慮底鼓影響，確定爆破孔角度θ=5°～10°。

3.3 爆破孔直徑和間距

聚能爆破后沿徑向和切縫方向炮孔半徑1～2 倍的范圍內產生向外擴展的初始裂隙，且初始裂隙會隨著炮孔直徑以及單位耗藥量增加而增加。本次方案所選礦用乳化炸藥Φ32 mm×335 mm，PVC 聚能管Φ40 mm×2000 mm，結合趙固一礦16061 工作面頂板中粒砂巖巖性和以往頂板深孔爆破預裂經(jīng)驗以及施工進度要求等，設計鉆孔直徑d=50 mm。

對于16061 上順槽頂板切縫，須確定可行的最大孔距，以達到最好的技術經(jīng)濟效果。根據(jù)前述的聚能爆破技術原理，16061 上順槽頂板以中粒砂巖為主，炮孔壁導向裂紋長度最小為300 mm，綜合現(xiàn)場實際經(jīng)驗和中硬質砂巖石的最小抵抗線常用值，一般取值為300～400 mm?？组g距越小，兩孔間的裂縫越容易連通，形成的切割面越平整，同時也會給施工現(xiàn)場增加更多的工程量，增加炸藥用量，造成一定程度上的資源浪費。綜合上述因素，確定在施工頂板預裂鉆孔時優(yōu)先選擇孔距L=300 mm。

3.4 裝藥結構及封孔

結合趙固一礦實際情況，根據(jù)爆破預裂切縫需要，選用煤礦三級許用乳化炸藥，炸藥直徑φ=35 mm，長l=335 mm，質量m=300 g。裝藥不耦合系數(shù)K=d/φ=50/40=1.25，裝藥集中度q=600 g/m。使用2.0 m 長聚能管輔助進行裝藥，每孔4 節(jié)聚能管，從上向下裝藥結構為6-5-5-4，連續(xù)正向裝藥，并注漿封實。

深孔爆破時，設計封孔長度5.0 m，封孔炮泥長度不得小于孔深的1/3，使用礦用封孔器（囊袋）、封孔注漿料配合煤礦用氣動注漿泵進行注漿封孔。裝藥及封孔結構如圖5。

圖5 裝藥及封孔結構示意圖（m）

4 聚能爆破施工工藝

4.1 爆破工序

檢查施工地點頂板→頂板鉆孔施工→裝藥前瓦斯檢查→炸藥裝入聚能管中→起爆藥卷裝入聚能管中并連接好→聚能管送入炮孔→注漿封孔→相鄰炮孔連線→母線連接→爆破前瓦斯檢查→起爆地點瓦斯檢查→爆破后瓦斯檢查→清理現(xiàn)場→進入下一循環(huán)。

4.2 封孔工藝

將聚能管安裝到位后，使用少量炮泥進行封堵，塞入封孔囊袋，孔口預留長度0.3～0.5 m 注漿管，以便連接注漿管路。推送封孔囊袋時，要緩慢進行，防止損傷爆破線路。用快速接頭將囊袋注漿管連接到注漿泵上，待注漿料充分混合后即可開啟泵進行注漿。當注漿泵聲音悶沉或注漿壓力達到1.4～1.6 MPa 時，即可停止。注完后將囊袋外部的注漿管斷開并打折，防止孔內漿液漏出，隨后換孔重復注漿、封孔作業(yè)，直到全部爆破孔封孔結束。單孔注漿凝固時間約為30 min，全部爆破孔封孔結束并等待30 min 后，方可開始爆破。

5 聚能爆破試驗效果

5.1 切縫效果

聚能爆破完成后，為掌握聚能爆破工藝是否能夠形成有效切縫，進行頂板鉆孔窺視，窺視結果如圖6 所示。頂板窺視鉆孔參數(shù)與爆破鉆孔參數(shù)相同，位于兩聚能爆破鉆孔連線中點。

圖6 鉆孔窺視結果圖

研究表明，從鉆孔深度5 m 到15 m 均出現(xiàn)明顯裂縫，緊靠封孔位置（鉆孔深度5 m）鉆孔四周明顯破碎，裂隙發(fā)育。鉆孔內部大部分內壁出現(xiàn)明顯對稱切縫，其他方向無明顯破壞。聚能爆破鉆孔內裂縫基本達到目標層位，裂縫對稱分布，預裂切縫效果較好。

5.2 留巷效果

使用聚能爆破切頂卸壓技術后，留巷巷道變形得到有效控制，沿空留巷效果較好，研究結果表明，該技術在深埋薄基巖礦區(qū)切頂卸壓的應用中可靠性較好。

6 結語

通過分析16061 工作面實際的深埋薄基巖地質條件，結合聚能爆破原理，制定了合適的聚能爆破關鍵技術參數(shù)，通過理論分析、數(shù)值仿真和現(xiàn)場試驗相結合的手段，得到了如下結論：

1）通過理論分析明確了聚能爆破預裂切縫技術的原理，并結合深埋薄基巖情況確定了聚能爆破關鍵參數(shù)，設計爆破孔深15.0 m，直徑50 mm，孔間距600 mm，使用礦用封孔器（囊袋）和封孔注漿料配合礦用氣動注漿泵進行注漿封孔，能夠滿足礦井目前的深埋薄基巖切頂卸壓需求。

2）結合現(xiàn)場工業(yè)性試驗研究，優(yōu)化了聚能爆破施工工序和封孔工藝，改善了目前深埋薄基巖聚能爆破工藝復雜、操作要求高、封孔難度大、耗時長等問題，提高了聚能爆破技術在深埋薄基巖條件下切縫的適應性和可靠性。

3）趙固一礦16061 上順槽聚能爆破切縫工程實踐及現(xiàn)場鉆孔窺視結果表明，聚能爆破鉆孔內裂縫基本達到目標層位，且裂縫對稱分布，聚能爆破切縫效果較好。