深孔爆破弱化堅硬頂板影響因素分析及應用

2010-01-22 07:00:15張學亮張會軍孫曉冬

中國礦業 2010年4期

張學亮，徐剛，2，張會軍，2，孫曉冬

(1.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013)

長壁工作面開采絕大多數采用全部垮落法管理頂板，頂板能夠隨著工作面推進而自行垮落是長壁工作面實現安全回采的首要條件。堅硬頂板強度高,節理、裂隙不發育, 具有整體性好和自穩能力強等特點，當煤層頂板為堅硬難垮落頂板時，回采過程中容易形成大面積懸頂。當采空區大面積突然垮落時極易形成颶風和強沖擊載荷，容易造成人員傷亡和設備損壞，而且容易造成瓦斯瞬間涌出，誘發瓦斯重特大事故，當煤巖體有沖擊傾向性時，還容易誘發沖擊地壓災害。為了達到工作面安全、高產高效生產, 必須對此類頂板進行處理, 改變頂板巖體的物理力學性質, 以減小頂板懸露面積, 防止或減弱這種大面積頂板來壓。[1，2]深孔爆破弱化堅硬頂板是較為常用的一種方法，它屬于無限介質爆破, 沒有自由面, 爆破主要靠沖擊波和爆生氣體形成的破碎區和裂隙區弱化頂板。

1 深孔爆破機理

藥包爆破時,一般工業炸藥爆震面上的壓力可達5～10 GPa,煤巖體受到這種超高壓的沖擊,在藥包周圍的小部分巖體,由于受到強烈壓縮,其溫度大于3000℃,所以,這部分巖體呈熔融狀塑性流態,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,其周圍熔融狀巖體的應力狀態迅速解除,這就引起這部分巖體的向心運動,將熔融狀巖體粉碎成細微顆粒,形成壓碎圈。由于巖體的動態抗壓強度很大,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衰減很快,沖擊波傳播到一定距離以外時,其壓力已不足以將煤巖體壓成塑性流體,沖擊波衰減成應力波；壓碎圈只限于一個很小的區域內。[3]

當沖擊波進入壓碎圈外圍的巖體時,其外圍的煤巖體受到強烈的徑向壓縮產生徑向移動, 因而導致巖殼的擴張；巖殼的擴張引起環向拉伸,即在環向引起拉應力；由于煤巖體的動態抗拉強度只及其抗壓強度的1/10左右,所以,環向拉應力很容易大于巖體的動態抗拉強度極限,在巖體中產生徑向裂縫,徑向裂縫的發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,爆炸產物的壓力雖然由于藥室體積的擴大而降低,但仍可鉆進裂縫,像尖劈一樣使裂縫進一步發展,形成環向作用的拉應力場,形成裂隙圈,裂隙圈大于壓碎圈。

對于弱化堅硬頂板來說，主要是利用破碎區和裂隙區形成的弱面、空腔、裂隙等對頂板進行弱化。[4]

2 深孔爆破影響參數分析

在進行深孔爆破前要綜合考慮各方面的影響因素，以達到最佳的爆破效果。深孔爆破前的地質條件和工作面條件一般已經確定，只能通過采用合理的深孔爆破參數以實現最優化爆破效果。爆破參數中對爆破效果影響最大的參數有鉆孔長度、孔間距、裝藥量、封孔長度及裝藥結構。[5]在爆破孔直徑、鉆孔長度確定之后，裝藥量也就相應確定了，實際上確定爆破參數就是確定布孔參數，包括孔長、孔間距，孔徑、封孔長度四個主要參數及裝藥結構。

2.1 鉆孔長度

確定鉆孔長度主要考慮到工作面堅硬頂板的厚度、鉆機能力、裝藥機能力、煤礦導爆索每卷長度，其中堅硬頂板厚度應優先考慮，使堅硬頂板巖體都在爆破作用范圍內。

按經驗公式計算,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。

確定炮孔有效放頂深度H之后便可根據炮孔角度計算得出鉆孔長度，炮孔長度一般在10～50m不等。鉆機一般可以順利鉆進50～70m，導爆索出廠時，一般每卷長度50m，當孔深超過50～60m時，就需要接導爆索，在設計鉆孔長度時應考慮這一因素。

2.2 鉆孔直徑

鉆孔直徑實際上就是裝藥直徑?？讖皆酱螅谱饔梅秶驮酱蟆Ｈ欢讖皆龃笠艿皆S多因素的限制。首先受到鉆機能力的限制。對于功率一定的鉆機，孔徑增大，鉆進速度會明顯降低，鉆同樣深的孔徑就要增加鉆進時間，經濟上是不合理的。其次，受堅硬頂板巖體條件的限制。對于完整性較差的堅硬頂板，容易出現鉆孔變形和塌孔現象。第三，孔徑過大會給封孔造成困難。爆破孔徑應確定在一個合理的范圍內，根據分析計算及現場試驗，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，此外還受經濟因素的制約。頂板條件一定時，孔間距應與爆破孔直徑相匹配，即孔間距與孔徑之比應在一個合理的范圍內才能取得良好的爆破效果。在優先保證良好的爆破效果的前提下，應盡量地增大孔間距。

2.4 封孔長度

封孔長度應保障炮孔爆破不影響直接頂相對穩定層,工作面不片幫、不漏頂,炮孔中炸藥爆炸時產生的高壓氣體不沖出孔口。結合以往深孔爆破經驗,[6]封孔長度一般為炮孔長度的1/3。

2.5 裝藥結構

裝藥結構可采用連續耦合裝藥和不耦合裝藥，輔以煤礦導爆索正向起爆。采用耦合裝藥時, 炸藥爆炸生成的爆轟波和高溫、高壓爆生氣體產物直接沖擊炮孔孔壁, 而不耦合裝藥時, 通過炮孔與藥卷間隙中的不耦合介質(空氣和水) 間接地沖擊炮孔孔壁, 在炮孔周圍巖石中激起沿徑向傳播的沖擊波, 造成巖石的動態沖擊壓縮破碎。文獻[7]采用AUTODYN數值模擬軟件分析了不耦合系數對爆破效果的影響。數值分析表明：隨著不耦合系數的增加, 爆破產生的裂隙區直徑在增大, 破碎區半徑在減少。因此，采用不耦合裝藥進行深孔爆破。

3 應用實例

某礦大采高綜采工作面采高為4.3 m，工作面長度為130 m，采用ZZ7500/22/45支架。煤層直接頂為厚3.7 m的粉砂巖，單軸抗壓強度為39.6MPa；基本頂為厚14.57 m的中粗砂巖，單軸抗壓強度為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，需對頂板進行弱化處理。

工作面頂板處理方法選用超前深孔爆破預處理,即在上、下巷或專用巷道(工藝巷) 進行施工,生產與頂板處理平行作業,不影響工作面正常生產,有利于工作面實現高產。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的工作面來壓問題，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

工作面設計采高為4.3m,為保證冒落頂板能完全充填采空區,取巖石破碎后的體積膨脹系數1.4，按式(1)計算，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,裝藥不耦合系數取1.3,封孔長度為炮孔深度的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，各炮孔參數見表1。兩順內炮孔布置見圖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，各炮孔參數如表2和表3所示。