武康康

摘? 要：該文以某煤礦的回采工作面為例，探究爆破切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用策略。采用雙向聚能爆破技術(shù)進(jìn)行頂板預(yù)裂，通過(guò)合理設(shè)計(jì)切頂高度、切頂角度以及炮孔間距等關(guān)鍵參數(shù)，提高爆破預(yù)裂效果，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。在完成爆破后進(jìn)行煤層開(kāi)采，使用錨索支護(hù)和U型鋼支護(hù)，提高巷內(nèi)支護(hù)效果；使用工字鋼和U型鋼檔矸支護(hù)，防止矸石對(duì)圍巖的側(cè)向沖擊，為煤礦安全作業(yè)創(chuàng)造有利環(huán)境。

關(guān)鍵詞：雙向聚能爆破；檔矸支護(hù)；錨索加強(qiáng)支護(hù)；切頂高度；切頂卸壓

中圖分類號(hào)：TD353? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）10-0169-04

Abstract： Taking the mining face of a coal mine as an example， this paper probes into the application strategy of blasting roof cutting and pressure relief and retaining roadway along goaf. The roof pre-splitting is carried out by using two-way concentrated blasting technology. Through the reasonable design of key parameters such as roof cutting height， top cutting angle and hole spacing， the blasting pre-splitting effect is improved and the stability of roadway surrounding rock is ensured. After the completion of blasting， coal seam mining is carried out， anchor cable support and U-shaped steel support are used to improve the support effect in the roadway， and I-beam and U-shaped steel support are used to prevent the lateral impact of gangue on the surrounding rock， which creates a favorable environment for coal mine safety operation.

Keywords： two-way energy-concentrated blasting; gangue support; anchor cable reinforced support; roof cutting height; cutting top pressure relief

在煤礦開(kāi)采作業(yè)中，為了達(dá)到不留煤柱開(kāi)采的效果，通常選擇在巷道旁布置充填墻體支撐頂板，然后再開(kāi)采煤柱的方案。但是煤柱回采后充填墻體仍然留在巷道內(nèi)，影響巷道通風(fēng)效果，不利于礦石的運(yùn)輸。近年來(lái)，爆破切頂卸壓沿空留巷技術(shù)在煤礦開(kāi)采中得到了應(yīng)用，布置檔矸支護(hù)體防止矸石涌入巷道，再利用矸石代替充填墻體支撐頂板。該技術(shù)既可以提高巷道穩(wěn)定性，又能提高煤礦開(kāi)采率，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1? 工作面概況

某煤礦的113回采工作面埋深218 m，開(kāi)切眼凈寬度161.6 m，有效回采長(zhǎng)度849 m。該工作面的煤層最大傾角7.7°，煤層采高2.9 m，節(jié)理較為發(fā)育；局部存在較薄的夾矸層，煤層整體穩(wěn)定性好。煤層頂板是厚度7.2 m的黑色泥巖層，底板是厚度為3.6 m的煤層。結(jié)合地質(zhì)勘察資料，該煤層瓦斯含量在6.5～8.1 m3/t，無(wú)瓦斯突出危險(xiǎn)，可采取爆破方式切頂。在開(kāi)采方式上，采用了切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采技術(shù)，提前完成頂板預(yù)裂以改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，在保證巷道穩(wěn)定、安全的前提下實(shí)現(xiàn)煤柱的全部回收，提高了煤炭資源回收率，兼顧了經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。

2? 煤礦爆破切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)

2.1? 雙向聚能爆破技術(shù)

采用爆破切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采技術(shù)時(shí)，必須最大程度上控制爆破能量對(duì)巷道頂板與兩側(cè)圍巖產(chǎn)生的破壞，為沿空留巷創(chuàng)造良好環(huán)境。如果采用傳統(tǒng)的不耦合爆破技術(shù)，在起爆之后形成的爆破能量對(duì)孔壁環(huán)向的作用基本一致，使得炮孔圍巖裂隙向四周擴(kuò)展，不利于維持圍巖的完整性和穩(wěn)定性。針對(duì)這一問(wèn)題，本工程中采取了雙向聚能爆破技術(shù)，其原理是在聚能管上布置一排對(duì)稱分布的微孔，使得爆破能量從聚能孔傳出、形成對(duì)稱的能量束，并且沿著與巷道平行的方向傳遞，達(dá)到了對(duì)稱、定向的預(yù)裂效果[1]。雙向聚能爆破的原理如圖1所示。

圖1? 聚能爆破環(huán)向切面圖

采用雙向聚能爆破技術(shù)，除了能夠減小圍巖擾動(dòng)、提高爆破效果，還能進(jìn)一步加大裂縫擴(kuò)展深度，在平行于巷道方向的頂板上形成連續(xù)斷面。這樣可以適當(dāng)增加炮孔間距或者減小裝藥密度，在達(dá)到爆破效果的前提下降低了切頂成本。

2.2? 巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

采用爆破切頂沿空留巷開(kāi)采技術(shù)，巷道圍巖不僅受到了爆破能量產(chǎn)生的沖擊，還要面臨爆破切頂擾動(dòng)、工作面后方頂板垮落擾動(dòng)，對(duì)巷道內(nèi)部的支護(hù)條件提出了更加嚴(yán)格的要求。為了切實(shí)保障巷道圍巖的安全，本工程采取了巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，具體又分為以下2種支護(hù)形式。

一種是常規(guī)的錨索支護(hù)。使用長(zhǎng)度在5 m以上的加強(qiáng)錨索，利用錨索的懸吊作用、圍巖補(bǔ)強(qiáng)作用和擠壓聯(lián)結(jié)作用，提高圍巖的穩(wěn)定性[2]，如圖2所示。

另一種是U型鋼支護(hù)，作為一種被動(dòng)支護(hù)方式，U型鋼雖然不能直接在巷道頂板上施加預(yù)緊力，但是能保證支護(hù)阻力不變的情況下隨著頂板的運(yùn)動(dòng)而收縮，起到了提前釋放頂板壓力的作用，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道頂板的有效支撐。在本工程中，采取了“U型鋼+鋼筋網(wǎng)”組合支護(hù)方式，有效地隔離了采空區(qū)的矸石，形成了較為穩(wěn)定的巷旁支護(hù)體，對(duì)提高巷道圍巖的穩(wěn)定性有良好作用。

圖2? 巷道加強(qiáng)支護(hù)示意圖

2.3? 檔矸支護(hù)技術(shù)

在工作面回采后，形成的采空區(qū)直接頂出現(xiàn)垮落情況并產(chǎn)生大量散裝堆積的矸石。其中，部分位于采空區(qū)邊緣的矸石在受到擾動(dòng)后有可能滑落進(jìn)巷道內(nèi)。如果沒(méi)有及時(shí)采取有效的阻擋措施，越來(lái)越多的矸石堆積在巷道內(nèi)，占用了巷內(nèi)空間并影響作業(yè)安全。根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)，檔矸支護(hù)體主要受到采空區(qū)的側(cè)向作用力，這個(gè)側(cè)向力一部分來(lái)自矸石自重，另一部分來(lái)自覆頂巖板的自重。結(jié)合其受力特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)檔矸支護(hù)體時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先提高其側(cè)向抗沖擊能力[3]?，F(xiàn)階段符合上述要求的檔矸支護(hù)體有2種類型，分別是工字鋼支護(hù)體、U型鋼支護(hù)體，具體支護(hù)形式如圖3所示。本工程中選用了具有良好伸縮性能的U型鋼支護(hù)體，能夠適應(yīng)巷道變形提高支護(hù)效果。

2.4? 臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)技術(shù)

對(duì)于普通巷道，通常會(huì)在工作面前20～30 m處，選擇超前支架或者密集單體支柱等方式完成支護(hù)，支護(hù)完畢后再繼續(xù)掘進(jìn)，從而保證巷道圍巖不會(huì)因?yàn)閿_動(dòng)而發(fā)生失穩(wěn)情況。對(duì)于沿空巷道，受到的擾動(dòng)來(lái)自兩方面，既有工作面前方巷道回采產(chǎn)生的擾動(dòng)，也有工作面后方頂板周期來(lái)壓產(chǎn)生的擾動(dòng)。此時(shí)巷道最容易發(fā)生變形，為了應(yīng)對(duì)這一情況需要以工作面為基準(zhǔn)點(diǎn)，在前后各采取臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)措施[4]。本工程中共設(shè)計(jì)了2種支護(hù)方案：對(duì)于應(yīng)力較小、圍巖條件較好的部分，采用U型鋼支護(hù)，利用U型鋼可在一定范圍內(nèi)伸縮的特性，當(dāng)受到壓力后保證U型鋼的收縮與巷道的變形具有一致性，從而達(dá)到卸壓、維穩(wěn)的效果；對(duì)于應(yīng)力較大、圍巖條件較差的部分，采用U型鋼已經(jīng)不能保證支護(hù)效果，需要替換為支護(hù)能力更強(qiáng)的護(hù)幫支架。

3? 煤礦爆破切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1? 頂板預(yù)裂切縫高度的計(jì)算

切頂作為爆破切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采作業(yè)的第一道工序，其參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理將會(huì)直接決定沿空留巷效果。結(jié)合切頂作業(yè)的內(nèi)容與特點(diǎn)，需要重點(diǎn)關(guān)注的核心參數(shù)有切頂高度、切頂角度等幾項(xiàng)。本文以切頂高度為例簡(jiǎn)述其計(jì)算方式。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，切頂高度與采空區(qū)頂板有密切關(guān)系，如圖4所示。

圖4? 切頂高度示意圖

采空區(qū)垮落的頂板產(chǎn)生矸石，并進(jìn)入到已經(jīng)采空的煤層空間內(nèi)。鑒于巖石的碎脹性特點(diǎn)，當(dāng)一塊完整的巖石被破碎成若干塊后，堆積體積會(huì)成倍增加。此時(shí)垮落巖層的高度滿足以下公式

Ha=β1H1+β2H2+…+βmHm+Δ，? （1）

式中：H1～Hm分別表示頂板自下而上從第1層到第m層巖層的高度，β1～βm表示對(duì)應(yīng)巖層的碎脹系數(shù)，Δ表示未接頂高度。當(dāng)Δ=0時(shí)，說(shuō)明巷道內(nèi)堆積的矸石能夠接觸上部覆巖的底部，從而對(duì)覆巖提供一定的支撐作用。當(dāng)覆巖回轉(zhuǎn)下沉?xí)r，在矸石的支撐作用下能夠減小覆巖的變形量。此時(shí)采高（M）與切落巖層的高度之間存在以下關(guān)系

M=（β1H1-H1）+（β2H2-H2）+…+（βmHm-Hm） 。? （2）

切頂垂直高度（h）的計(jì)算公式為

h=H1+H2…+Hm 。? （3）

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各巖層厚度與對(duì)應(yīng)碎脹系數(shù)見(jiàn)表1。

表1? 巖層類型及參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，要想將采空區(qū)完全填滿，必須切斷泥巖層和石英砂巖層。已知工作面采高為3 m，將表1各項(xiàng)數(shù)據(jù)帶入式（2）后，可以求得切頂垂直高度h的值為11.35 m。

3.2? 爆破炮孔間距的計(jì)算

為了使爆破后頂板裂隙能夠貫通整條巷道，需要對(duì)雙向聚能爆破中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)可知，影響雙向聚能爆破效果的關(guān)鍵因素有裝藥密度、炮孔間距等，本文以炮孔間距為例簡(jiǎn)述其計(jì)算方法。在爆破作業(yè)中，相鄰2個(gè)炮孔的間隔距離太遠(yuǎn)，會(huì)導(dǎo)致爆破能量的傳導(dǎo)阻力較大，相應(yīng)的爆破能力的聚能導(dǎo)向作用越弱，無(wú)法達(dá)到裂縫貫通的效果；反之，如果炮孔的間隔距離太遠(yuǎn)，又會(huì)導(dǎo)致非聚能方向的圍巖受到較大的擾動(dòng)進(jìn)而發(fā)生破碎，有可能發(fā)生圍巖變形、巷道頂板垮落等問(wèn)題[5]。考慮到爆破孔為細(xì)長(zhǎng)筒形，存在“L（長(zhǎng)度）>d（孔徑）”的關(guān)系，因此可以將三維爆破模型簡(jiǎn)化為關(guān)于炮孔徑向斷面的二維力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示。

圖5中，lp1表示應(yīng)力波裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度，lp2表示氣體作用下裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度。

3.2.1? 應(yīng)力波裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度的計(jì)算方法

聚能管的結(jié)構(gòu)決定了其可以在實(shí)行爆破以后將爆破能量集聚疊加，然后從聚能孔中發(fā)射出去。在起爆后，產(chǎn)生的平均爆轟壓力（P1），以及作用在炮孔壁上的應(yīng)力（P2）的計(jì)算公式為

P1=■？籽v2 ，? ?（4）

式中：ρ表示炸藥密度，kg/m3；v表示炸藥爆速，m/s；

式中：θ表示聚能管的切縫張角，°；B表示聚能管切縫的寬度，m；r1、r2和r3分別表示炮孔、聚能管與炸藥的半徑，m；l5和l6分別表示裝藥長(zhǎng)度和聚能管藥管長(zhǎng)度，m；n表示圍巖壓力增大系數(shù)。在起爆之后，爆炸釋放出的巨大能量作用于炮孔圍巖并使其產(chǎn)生裂縫。形成裂縫后圍巖的抗拉強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生變化。如果巖石實(shí)際受到的拉應(yīng)力超過(guò)了巖石的抗拉強(qiáng)度，那么將會(huì)產(chǎn)生新的裂縫，即應(yīng)力波裂縫。應(yīng)力波裂縫的長(zhǎng)度可通過(guò)式（6）求得

式中：μ表示巖石的泊松比；σ表示圍巖的抗拉強(qiáng)度，MPa；K表示應(yīng)力波的衰減指數(shù)，與泊松比有關(guān)，K值可通過(guò)式（7）求得

K=2-■ 。? ?（7）

3.2.2? 氣體作用下裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度的計(jì)算方法

應(yīng)力波沖擊炮孔圍巖并使其形成裂隙后，爆炸產(chǎn)生的氣體也會(huì)涌入裂隙中，在氣體作用下裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。此時(shí)氣體對(duì)炮孔孔壁產(chǎn)生的壓力（P3）可通過(guò)式（8）求得

式中：V表示裝入炸藥的體積，m3；V1表示炮孔體積，m3；r1表示絕熱指數(shù)，取1.4；P4表示臨界爆炸壓力，MPa。隨著裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度的增加，氣體的能量會(huì)不斷衰減，并且在爆炸氣體壓力低于圍巖斷裂臨界壓力時(shí)，裂隙不再擴(kuò)展。此時(shí)可以求得氣體作用下裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度（lp2），計(jì)算公式為

式中：F表示裂縫末端應(yīng)力強(qiáng)度因子修正系數(shù)，A表示巖石斷裂韌性系數(shù)。

由圖5可知，聚能爆破總長(zhǎng)度（L）為

L=lp1+lp2 。? （10）

帶入數(shù)據(jù)后求得L值為0.56 m，即炮孔間距不得小于0.56 m。

4? 結(jié)束語(yǔ)

在煤礦開(kāi)采中運(yùn)用爆破切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，一方面可以通過(guò)設(shè)置檔矸支護(hù)體的方式避免頂板垮落矸石掉入巷道，在頂板穩(wěn)定后利用矸石支撐頂板，提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性；另一方面還可以實(shí)現(xiàn)煤柱的全部回收，提高了煤炭資源利用率和煤礦開(kāi)采效益。在應(yīng)用爆破切頂卸壓沿空留巷技術(shù)時(shí)，除了要做好切頂高度、炮孔間距等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)，還要采取巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)和檔矸支護(hù)等技術(shù)，保證巷道圍巖的穩(wěn)定，為工作面回采創(chuàng)造安全作業(yè)環(huán)境。

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