薄煤層復合頂板切縫聚能爆破參數試驗及確定方法

劉小強　張國鋒　唐文勝

摘 要：為獲取“堅硬軟弱”復合頂板爆破預裂切縫的較好預裂效果，文章通過對小河嘴煤礦2018工作面運輸巷現場試驗和分析，針對巷道直接頂較軟弱、基本頂堅硬的復合巖層條件，試驗得到了合理的爆破預裂切縫參數，掌握了這種特殊條件下聚能爆破切縫的方法。結果表明：切縫藥包和封泥位置位于軟弱巖層中時，由于孔壁裂隙發育，爆破能量易沿孔壁裂隙發生沖楔作用，聚能效果較差；對于堅硬巖層，裝藥線密度越大，張拉切縫效果越明顯，線密度越小，越易出現壓裂破壞。

關鍵詞：薄煤層；堅硬軟弱復合頂板；爆破預裂切縫；張拉破裂

中圖分類號：TD235 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）05-0179-02

隨著聚能爆破技術在礦山等地質條件下應用不斷成熟，國內外學者在聚能爆破、爆破對支護體的影響以及爆破對巷道頂板損傷等方面做了很多研究，通過數值模擬、相似模擬、現場爆破試驗等手段，取得了豐富的研究成果。在地下礦山圍巖爆破切縫時，對于硬度分布均勻巖體，爆破時僅需在炮孔內部均勻裝藥將巖體整體爆破預裂，但是鑒于小河嘴2018工作面上方巖體呈“下部軟弱，上部堅硬”的特點，在爆破切縫過程中除了考慮將上部堅硬老頂實現切縫外，還要在工作面巷道施加錨網索補強支護保證頂板下部較為軟弱破碎巖層完整。因此在該條件下爆破切縫參數和切縫規律的獲得是此類條件下切頂卸壓沿空成巷技術實現的關鍵技術之一，因此具有十分重要的研究意義[1～3]。

1 切縫爆破參數設計方法

1.1 切縫爆破經驗總結

首先裝藥由少到多，并繪制曲線，找出裝藥臨界值；其次與頂板的巖性聯系起來，密切關注頂板巖性的變化及時調整裝藥參數；切縫爆破與超前恒阻錨索支護結合，即先對頂板安裝錨索的等支護措施，保護頂板然后再進行切頂。對于巖層淺層存在弱層，應采取減震防爆等措施：軸向不耦合裝藥，淺部巖層少裝藥，增加封泥長度等。

1.2 預裂爆破參數試驗操作規范及規程

爆破方案需要審批程序，更改后方案必須經過審批才能決定是否繼續進行。爆破過程中情況必須及時匯報，避免出現同樣問題。

切縫爆破現場試驗必須嚴格按照步驟進行：第一次試驗按設計參數藥卷60%進行；逐步增加藥卷（4～5步）；直到臨界藥卷，求出臨界藥卷數；確定藥量與切線率關系，如圖1所示。

2 爆破切縫工程試驗

2.1 工程地質條件

小河嘴煤礦2018工作面平均埋深535 m，工作面走向和傾向長分別為754 m和125 m。 2018工作面主采煤層為K22煤層，煤層平均厚度0.65 m，平均傾角25 °，設計采高0.8 m。直接頂為砂質泥巖，平均厚度2.0 m，夾數層煤線，節理發育；老頂為堅硬的中粒砂巖，厚度35 m，大多為石英或長石組成。

針對小河嘴煤礦2018工作面沿空巷道支護現狀及提高采出率，提出了更為先進的聚能預裂爆破切頂卸壓無煤柱護巷技術，采用錨網索+恒阻大變形錨索支護巷道。

2.2 試驗方案設計

爆破預裂切縫技術核心是確定“堅硬+軟弱”頂板爆破預裂切縫方式；其次在爆破預裂切縫前采用恒阻大變形錨索超前加固支護，一方面能夠有效的保護巷道頂板，另一方面恒阻大變形錨索高預緊力利于爆破預裂切縫形成雙向張拉裂縫。在分析2018工作面工程地質基礎上，為了獲得爆破預裂切縫最優裝藥結構及裝藥參數，設計4種留巷爆破預裂切縫試驗參數，如下表所示，以達到切斷巷道老頂細砂巖與采空區目的，使得沿空成巷后巷道頂板有效卸壓、減小變形，保證巷道滿足下個工作面使用。

爆破預裂切縫前巷道加固支護參數及爆破預裂切縫所需其他參數如下。

2.2.1 切縫爆破參數

①在工作面運輸巷煤壁側距頂板1.5 m處沿巷道走向布置1排聚能爆破孔，炮孔間距0.6 m，炮孔深4 m，傾向采空區20 °。

②單孔裝2根聚能管，每根聚能管長1 m，每根聚能管按表1各方案裝藥方式裝藥，藥卷為三級乳化炸藥，規格為30 mm×200 mm。

③聚能管內徑35 mm，外徑41～42 mm，管壁厚2.5 mm。

④單孔裝2根聚能管，每2根1 m聚能管間采用透明寬膠帶纏繞連接，采用黃泥封堵，單孔封堵長度大于1.5 m，正向起爆。

⑤單孔采用錨桿鉆機成孔，鉆頭使用直徑50 mm三翼巖石鉆頭。

⑥裝填聚能管時要求聚能方向要沿著切縫方向，鉆孔前要放線，點好鉆孔點位，鉆孔角度誤差5 °左右，采用自制調向桿，保證鉆孔布設和聚能方向成一條線。

2.2.2 錨索加強支護參數

①錨索長6.3 m，直徑15.24 mm，外露長度300 mm，錨固長不小于1.0 m。采用規格300 mm×300 mm×10 mm的蝶形托盤。

②靠近采空區側錨索排距1.6 m，巷道中央錨索排距2.4 m，靠近采空區側錨索距切頂線400 mm。

2.3 爆破預裂切縫效果

由經現場試驗可知，當炮孔裝藥量、封泥長度相同時，爆破預裂切縫后炮孔內裂縫長度隨著藥卷長度與空氣柱長度比值的增大而增大；炮孔內藥卷長度與空氣柱長度比值的大小直接決定著爆破預裂切縫時炮孔圍巖成縫形式，當二者比值達到合理的區間時，巖層才會發生張拉破裂，否則巖層將發生壓裂破壞，不能達到滿意的切縫效果；炮孔內藥卷長度與空氣柱長度比值和封泥位置所對應的巖性決定著炮孔是否在爆破預裂切縫過程中出現塌孔以及成縫質量的好壞；當藥卷長度與空氣柱長度比值較小，且封泥位置對應的巖石硬度較小時，炮孔內將在層理、結構面等軟弱破碎處出現塌孔，影響切縫炮孔成縫質量。方案1孔內裂縫率為52%，方案2孔內裂縫率為68%，方案3孔內裂縫率為83%，方案4孔內裂縫率為91%。

爆破預裂切縫后炮孔內裂縫長度隨著藥卷長度與空氣柱長度比值關系曲線，如圖2所示。

根據圖2可知，當單孔裝藥量為7個藥卷、封泥長度為2 m時，爆破預裂切縫后炮孔內裂縫長度與藥卷長度和空氣柱長度的比值符合如式（1）的非線性關系，相關性系數為0.9962。

根據上述爆破預裂切縫參數試驗結果及分析可知最優爆破參數為炮孔間距0.6 m，炮孔深4 m，傾向采空區20 °。單孔裝2根聚能管，每根聚能管長1 m，每根聚能管裝藥3卷，封泥長度為2 m。

3 結 語

①在爆破預裂切縫試驗的過程中，對于上部堅硬、下部軟弱的特殊頂板巖層組合形式，核心是使“堅硬”巖層產生有效的符合標準的裂縫，軟弱巖層自行垮落，最終形成較好的成巷效果。

②爆破預裂切縫過程中，軟弱巖層容易吸收炸藥能量。當切縫藥包和封泥位置在砂質泥巖或泥巖等硬度較小的巖層時，無論單位裝藥量多少都會引起塌孔，且成縫效果較差。封泥位置不能在強度較小的直接頂中，否則爆炸沖擊波將對孔口造成破壞，形成孔口爆坑，造成鄰近支護結構失效。

③最優爆破參數確定：炮孔間距0.6 m，炮孔深4 m，傾向采空區20 °。單孔裝2根聚能管，每根聚能管長1 m，每根聚能管裝藥3卷，封泥長度為2 m。

④通過爆破預裂切縫試驗，得到了裂縫長度與藥卷長度和空氣柱長度的比值的關系曲線及公式。當藥卷長度和空氣柱總長度為2 m時，裝藥量7卷、藥卷長度和空氣柱長度的比值為3.348，能夠產生5 m的裂縫，且效果較好。

參考文獻：

[1] 張國鋒，何滿潮，俞學平，等.白皎礦保護層沿空切頂成巷無煤柱開采技 術研究[J].采礦與安全工程學報，2011，（4）.

[2] 劉小強，張國鋒.軟弱破碎圍巖切頂卸壓沿空留巷技術[J].煤炭科學技 術，2013，（增）.

[3] 張國鋒.切頂卸壓沿空成巷機理及關鍵技術研究[D].北京：中國礦業大 學，2010.