堅硬頂板爆破弱化方式研究

任安大

（山西省中陽縣國土資源局，山西呂梁 033400）

堅硬頂板爆破弱化方式研究

任安大

（山西省中陽縣國土資源局，山西呂梁 033400）

基于把堅硬頂板假設為固支梁的基本理論，對常見的5種頂板爆破弱化的手段進行研究，主要對比其垮落后的步距和鉆孔量，結果表明端部切斷放頂爆破垮落步距最小，超前深孔預裂爆破需要的鉆孔量最小，并對其爆破參數進行了研究，計算合理的炮孔裝藥量為7.93 kg/孔，結果表明在工程中有效的減少了來壓步距和瓦斯的積聚。

堅硬頂板；爆破；弱化；瓦斯積聚

堅硬頂板目前存在的主要弱化方式有兩種，一是注水軟化，通過改變其巖體內部結構和巖石的力學參數，使頂板垮落步距減少，其缺點在于改變所需要的時間較長，效果不會立即出現，而且對巖石的要求較高，即能夠吸水軟化后的強度下降較大。二是采用爆破弱化，任衛兵[1]采用弱化的手段對工作面的來壓進行了現場分析，表明了爆破弱化的作用；崔永杰[2]采用了爆破弱化后對防治瓦斯的突然涌出起到了作用；文章[3～6]則對堅硬頂板的處理方式進行了研究；王開[7]等對放頂的方式進行了有益的探討，但上述研究對垮落步距的研究較少。

本文主要研究了不同爆破位置的鉆孔情況，對弱化堅硬頂板后垮落步距的變化，并對超前深孔預裂爆破的參數進行了研究，對堅硬頂板的弱化具有指導意義。

1 弱化方式選擇

根據頂板弱化的機理和爆破鉆孔的位置，把控制放頂分為循環淺孔爆破、端部切斷放頂爆破、中部拉槽爆破、超前深孔預裂爆破、地面深孔爆破五種方式。

堅硬的破壞可以簡化看做為固支梁，其拉應力達到極限抗拉強度發生破壞：

1.1 循環淺孔爆破

循環淺孔爆破指按照一定的循環，依次布置淺孔，安裝炸藥進行爆破，使堅硬頂板部分垮落，減少其厚度，同時垮落的堅硬矸石作為支撐系統的一部分，支撐上部底板。圖1為循環淺孔爆破巖梁力學模型。

式中：L1為爆破后的極限跨度，m；a為傳遞載荷的改變因子；hc為堅硬頂板剩余的高度，m。

當L1為爆破前長度L0的1/n時，可推導出hc

需要布置鉆孔的高度hL為：

1.2 端部切斷放頂爆破

圖2為端部切斷巖梁力學模型。端部切斷，是指在開切眼處鉆孔，使之產生預裂，改變頂板的垮落狀態，由兩邊固支的固支梁轉換為一邊懸空的懸臂梁，則初次垮落步距為：

那么，L2為爆破前長度L0的

1.3 中部拉槽爆破

中部拉槽爆破，是指當工作面的懸頂距超過了極限垮落步距的一半時，在中部布置炮眼，主要對懸頂的長度進行控制。圖3為中部拉槽巖梁力學模型。

若要求拉槽后的頂板斷裂步距是正常垮落的1/n，則要求的拉槽深度hl推算如下：

1.4 超前深孔預裂爆破

圖4為超前深孔預裂爆破巖梁力學模型。此法主要是在順槽施工超前工作面爆破鉆孔，使頂板發生預先破斷，通過減小頂板前方抗彎截面模量，從而縮短極限垮落步距。

1.5 地面深孔爆破

此法主要是在地面進行鉆孔，孔底到達采空區處的堅硬頂板處，強制放頂制造大面積的垮落，使來壓變平穩。主要適用于垮落的頂板面積較大，上述的其中幾種方式較危險；埋深較淺，采用地面鉆孔爆破在技術上可以控制、經濟上合理。圖5為不同爆破方式的鉆孔量。

根據式（5）、（6）、（10）、（12），并假定當n=2，即當采用各種爆破方式后的垮落步距為正常垮落步距的1/2時，所需要的鉆孔量為：

循環鉆孔爆破：

式中：a為傳遞載荷的改變因子，根據文獻[7]的計算，選擇a為0.3。

端部切斷放頂爆破：

中部拉槽爆破：

超前深孔預裂爆破：

由圖5和上述的計算可知，超前鉆孔時所需要的鉆孔長度最小，體現了工程量最少，在同樣的破斷步距時所需的炸藥量最少。采用端部切斷放頂時，所需要的炸藥量較多，但破斷的步距僅為正常步距的；隨著垮落步距的減小，所需的炸藥量增加，而且趨向于平穩，最終值為整個堅硬頂板的厚度。

2 超前深孔預裂爆破技術方案

2.1 頂板爆破高度

根據關嶺山頂板的鉆孔顯示，頂板K2石灰巖的總厚度為9.7m，其中包括0.7m的軟弱泥巖，認為有效高度為9m，則：

2.2 爆破炮孔間距

根據斷裂力學的計算，其間距為：

式中：K為堅硬頂板的調整參數，一般為15～20；R為鉆孔直徑，m；f為頂板的普氏系數；σc單軸抗壓強度，根據巖石力學參數實驗，取100 MPa。

取間距P為3m。

2.3 裝藥量

根據預裂爆破炸藥量的公式[9]：

式中：Qx線為單位長度的裝藥量，g/m；D為炮孔直徑，m；由于受巖石強度和施工設備的的要求，經驗參數為60～90mm，取70mm。

代入參數得：

所以，裝藥長度為4.5m時，炮孔裝藥量為7.93 kg/孔。

3 結論

1）通過對5種弱化方式的比較，選擇了在同樣垮落步距情況下鉆孔和裝藥量最小的超前深孔預裂爆破，并對其爆破參數進行了設計，保證炮孔裝藥量為7.93 kg/孔。

2）通過現場的實測，經過弱化以后的初次來壓步距由原來的15m變成了5m。

3）由于超前預裂的作用，一方面通過爆破提前釋放了堅硬頂板的瓦斯，另一方面在來壓期間防止了瓦斯的突然大量的急劇，說明了此方法的成功性。

[1]任衛兵,廖學東，陳言可.堅硬頂板弱化條件下首采工作面礦壓顯現規律[J].煤礦安全，2013，4（34）：217-223.

[2]崔永杰，孫祺，鄭躍兵，等.堅硬頂板弱化處理防止瓦斯驟然涌出[J].煤炭技術，2011，30（12）：80-82.

[3]靳鐘銘，徐林生.煤礦堅硬頂板控制[M].北京：煤炭工業出版社，1994.

[4]朱德仁，錢鳴高，徐林生.堅硬頂板來壓控制的探討[J].煤炭學報,1991，16（2）：11-18.

[5]周昆雄.預裂爆破線裝藥量計算式的理論研究[J].云南水力發電，2009，1(25)：15-19.

[6]曹民遠.急傾斜特厚煤層間巖柱地面深孔爆破預裂試驗及效果研究[J].中國煤炭，2014，40(S)：55-57.

[7]王開，康天合，李海濤，等.堅硬頂板控制放頂方式及合理懸頂長度的研究[J].巖石力學與工程學報，2009，11(28)：2320-2327.

Study on Blasting Weakening of Hard Roofs

REN Anda
(Land and Resources Bureau of Zhongyang County,Lvliang 033400,China)

Based on an assumption of taking hard roofs as clamped beams,five common blasting weakeningmethods ofroofs were studied.Step distance and drill-hole number before and after the collapse were compared.The results show that collapsing step distance isminimum when end roof caving blasting and advanced deep-hole pre-splitting blasting needs least drill-holes.Blasting parameters were studied. By calculation,the reasonable explosive charge of boreholes was determined to be 7.93 kg per hole,which effectivelyreduced the weightingintervals and gas accumulation in the engineering.

hard roof;blasting;weakening；methane accumulation

TD327.2

A

1672-5050（2015）05-0050-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.017

（編輯：劉新光）

2015-06-22

任安大（1962-），男，山西中陽人，在讀本科生，助理工程師，從事煤礦安全管理工作。