雙向聚能爆破預裂技術在沿空留巷中應用

王海銳

（山西焦煤霍州煤電集團公司店坪煤礦，山西 呂梁 033100）

0 引 言

無煤柱工作面在回采過程中受回采應力影響，沿空留巷頂板出現破碎、下沉、冒落現象，為了保證工作面安全高效回采，必須對沿空巷道頂板實施超前預裂，切斷留巷巷道頂板與采空區直接頂、基本頂的聯系，削弱留巷過程中采空區頂板對留巷頂板的應力傳遞，保證采動影響區域留巷巷道的圍巖穩定；本文以霍州煤電呂梁山煤電有限公司店坪煤礦9-204工作面為例，對沿空巷道提出了雙向聚能爆破預裂技術技術，并根據巷道頂板煤巖性情況，對爆破參數、爆破工藝分析對比及優化，從而達到預期爆破預裂效果。

1 概 述

店坪煤礦9-204工作面位于830水平南翼，工作面標高：+828-+930，埋深174～369m。工作面北部為202工作面，東部為實煤區，南部為206工作面，西部為830水平大巷，如圖1所示。

204工作面工作面回采煤層為9#煤層，平均厚度為3.1m，平均傾角為4°，屬于緩傾斜煤層，煤層相對穩定，煤層內含有多層夾矸，且以砂質泥巖為主，厚度為0.2～0.35m。9-204工作面采用切頂卸壓自成巷技術，設計留巷巷道為2042巷，設計留巷長度為1644m。

圖1 店坪煤礦9-204工作面平面布置示意圖

店坪煤9-204工作面頂板及應力條件極為復雜，工作面直接頂為泥巖，危險區段風化軟化破碎嚴重，頂板巖性分布：自順槽頂板起向上依次為泥巖、砂質泥巖及中粒砂巖等，根據礦方原有資料顯示：直接頂泥巖為泥質膠結、抗壓強度較低。根據9-204回風巷掘進期間頂板揭露情況可知，巷道頂板局部存在破碎嚴重的特殊地質條件，且巷道埋深較大，圍巖應力高這都增加了爆破難度。若是采用常規爆破手段，勢必造成巷道頂板的大面積破壞，甚至出現冒頂等嚴重事故的發生，通過研究決定采用雙向聚能爆破預裂技術。

2 雙向聚能爆破預裂技術原理及優點

2.1 技術原理

雙向聚能爆破預裂技術，主要采用具有聚能效果的特殊裝置—聚能管，此裝置能夠在聚能爆破的同時起到保護頂板完整性的作用，且同時使爆生物產生的應力波沿著設定方向聚集并傳遞，頂板巖石的抗壓強度較低，其抗拉強度將會更低，這勢必會加速應力在頂板巖石中的傳遞，在巖石張拉成型過程中，高集中程度的拉應力破除了圍巖高應力的阻礙，加速了頂板巖石的預裂成型，使頂板巖層預裂成一切縫面，達到設計方案要求，如圖2所示。

圖2 雙向聚能爆破預裂技術原理圖

2.2 技術優點

與傳統的炮孔切槽爆破、聚能藥包爆破及切縫藥包爆破等控制爆破技術相比，雙向聚能拉張成型控制爆破主要具有以下優點：

1）鉆孔工程量小：利用了巖體高壓低拉的特性，相應加大了炮孔間距，在同等爆巖方量上減少了炮孔鉆進工作量。

2）圍巖破壞性低：最大程度地保護了圍巖，減少圍巖受炮震、沖擊波及爆生氣體作用，大大地減少了圍巖損傷，提高工程巖體的支護穩定性。

3）成本費用低：炸藥單耗少，綜合成本低，經濟和社會效益顯著；

4）操作施工簡單：雙向聚能爆破預裂技術無需改變原有鉆爆操作工序，只需在周邊眼中采用雙向聚能裝置裝藥即可，其它炮眼裝藥結構不變，操作工藝簡單，易于在現場推廣使用。

3 雙向聚能爆破預裂施工方案選擇及效果分析

3.1 施工方案選擇

頂板預裂爆破效果直接影響著切頂卸壓自成巷的效果，為了掌握雙向聚能爆破預裂最佳裝藥結構及裝藥參數、切斷沿空巷道頂板與采空區上覆巖層的應力傳遞、最大限度地減小沿空巷道頂板下沉量、降低巷道頂板壓力，店坪煤礦決定通過現場試驗合理確定爆破預裂施工方案。現場試驗方案：首先根據前期頂板窺視結果，進行連孔爆破試驗，確定連孔最佳裝藥量及最佳空氣柱的長度，確定一次最佳起爆爆破孔的個數。

1）方案一：爆破鉆孔與沿空巷道走向布置，鉆孔深度為8.0m，鉆孔間距為5.0m，與鉛垂線夾角為15°（向煤壁側方向），每個鉆孔安裝4根長度為2.0mPVC聚能管，鉆孔內采用“3+2+2+2”裝藥方式，如圖2所示，每卷乳化炸藥規格為φ30×300mm，單孔裝藥量為2.7kg，一次允許起爆炮孔數量為4個。

圖3 方案一雙向聚能爆破裝藥量及裝藥結構示意圖

2）方案二：爆破鉆孔與沿空巷道走向布置，鉆孔深度為9.0m，鉆孔間距為5.0m，與鉛垂線夾角為17°（向煤壁側方向），每個鉆孔安裝5根長度為2.0mPVC聚能管，鉆孔內采用“3+2+3+2+1”裝藥方式，如圖4所示，每卷乳化炸藥規格為φ30×300mm，單孔裝藥量為3.3kg，一次允許起爆炮孔數量為5個。

圖4 方案二雙向聚能爆破裝藥量及裝藥結構示意圖

3）方案三：爆破鉆孔與沿空巷道走向布置，鉆孔深度為9.0m，鉆孔間距為5.0m，與鉛垂線夾角為19°（向煤壁側方向），每個鉆孔安裝5根長度為2.0mPVC聚能管，鉆孔內采用“4+3+4+3+2”裝藥方式，如圖5所示，每卷乳化炸藥規格為φ30×300mm，單孔裝藥量為4.8kg，一次允許起爆炮孔數量為6個。

圖5 方案三雙向聚能爆破裝藥量及裝藥結構示意圖

以上三種不同方案切縫參數試驗后，對試驗孔頂板影響程度及采用窺視儀對試驗爆破孔圍巖破裂情況觀察發現，采用第三種方案后，位于沿空巷頂板往上6.0m～9.0m段巖體裂隙發育率達85%，巷道頂板成型穩定性好，受爆破施工影響小，爆破距離超前工作面30m可達到最佳狀態，所以204工作面沿空巷決定采用第三種雙向聚能爆破預裂施工方案

3.2 應用效果分析

1）截止 2019年 3月，9-204工作面已回采600m，沿空巷共計爆破施工70個雙向聚能預裂孔，通過爆破后對沿空巷頂板下沉情況及采空區垮落效果觀察發現，采用雙向聚能爆破預裂施工后，巷道堅厚頂板按設計方向實現了破裂效果，隨著工作面推進垮落，形成短臂梁，填充密實，杜絕了因懸頂造成頂板下沉量增大，幫臌量增大等現象；

2）204工作面在回采過程中在沿空巷形成超前應力區（0～30m）、架后破壞區（采空區 0～100m），成巷穩定區（采空區100m后）三個圍巖應力區，采用

雙向聚能爆破預裂技術后切斷了頂板應力傳遞現象，使超前應力區頂板最大下沉量控制在0.17m以下，頂板采用大變形恒阻錨索進行維護即可；架后破壞區頂板下沉量相對增大，最大下沉量為0.22m，采用“大變形恒阻錨索+單體液壓支柱（不戴帽）+U型鋼可縮支柱緊壓菱形網”聯合支護可對巷道圍巖進行維護；在成巷穩定區內，巷道圍巖應力趨于穩定，頂板最大下沉量控制在0.1m以下，且可逐漸回收單體柱。

4 結 論

1）雙向聚能張拉爆破過程中，在較弱的巖層中，應控制裝藥量，否則孔內出現塌孔，在較硬的巖層中，應加大裝藥量，保證能夠出現標準的裂縫。

2）當直接頂較薄，切縫進入老頂時，切縫對上方未貫穿巖層的拉裂作用將對老頂破斷產生一定的影響。直接頂較厚，切縫未進入老頂時，將不會對老頂破斷產生影響。

3）當切縫未影響老頂破斷時，與未切縫相比，切頂后上覆巖層垂直活動空間減小，破斷巖層總數及未破斷巖層下沉量減小，減小下位巖體承擔的荷載，有利于切頂成巷穩定性控制。