地面深孔預(yù)裂爆破頂板煤柱的試驗(yàn)研究

沈玉旭，李 鵬，郭 帥

（1.山西能源學(xué)院，山西 晉中030600；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭014010）

采煤工作面頂板不及時(shí)垮落可能造成工作面支架的沖擊載荷、采空區(qū)有毒有害氣體大量涌出，甚至造成沖擊礦壓等嚴(yán)重的安全事故[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量的研究工作，姜耀東等對(duì)沖擊載荷發(fā)生基本機(jī)理及研究進(jìn)展、超前預(yù)警技術(shù)、防治措施等做了詳細(xì)論述[4-5]，現(xiàn)有的研究主要依靠工作面爆破和注水來弱化頂板[6-8]，但是地面深孔預(yù)裂爆破的研究卻很少。

地面深孔預(yù)裂爆破是從地面向井下工作面頂板垂直打孔，對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破。爆炸產(chǎn)生的爆轟波可以使炮孔周圍的煤巖體產(chǎn)生裂隙，破壞頂板的完整性，釋放部分壓力，降低了應(yīng)力集中程度，進(jìn)而利于頂板回采時(shí)及時(shí)垮落，起到很好的卸壓效果，防止沖擊載荷等事故的發(fā)生[9-12]。

內(nèi)蒙古某礦31203 綜采工作面上部有22 煤4段集中隔離煤柱，采空區(qū)頂板部分垮落。31203 綜采面回采時(shí)受上部煤柱影響，易發(fā)生支架沖擊載荷以及強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，造成壓架、人員傷亡等事故。因此，結(jié)合該礦31201 和31202 綜采工作面礦壓規(guī)律，對(duì)31203 綜采工作面上部集中隔離煤柱進(jìn)行地面深孔預(yù)裂爆破，破壞煤柱的完整性，釋放壓力，減弱頂板垮落時(shí)的沖擊強(qiáng)度。

1 工程概況

31203 綜采工作面埋深98～137 m，松散層厚度0～51 m，基巖厚度65～120 m；工作面寬337 m，推進(jìn)長度1 865 m；煤層厚度3.7～4.3 m，直接頂為細(xì)砂巖，厚度3.6～5.3 m，基本頂為砂巖，厚度12～35.2 m；工作面計(jì)劃布置168 臺(tái)鄭煤ZY18000/25/45D 雙柱掩護(hù)式支架。31203 工作面與上部22 煤間距33～35 m，22 煤埋深63.9～98.2 m，頂板以粉砂巖、細(xì)砂巖和粒砂巖為主，厚度為29.8～86.5 m。

2 爆破參數(shù)與爆破方案

2.1 炸藥單耗

炸藥單耗即爆破破碎單位體積巖石所消耗的炸藥量。炸藥單耗高，爆破成本高，爆破震動(dòng)、沖擊波等有害效應(yīng)增大；炸藥單耗低，爆破能量不足，巖石破碎不夠。因此，預(yù)裂爆破要選用合理的炸藥單耗才能保證爆破效果。根據(jù)31203 綜采工作面頂板和22 煤頂板巖層特性可知，頂板巖層多為砂巖，屬于中硬巖層，故炸藥單耗選用0.3 kg/m3。

2.2 單孔裝藥量

本次爆破的目的是破壞煤柱的完整性，使它們形成裂隙，促使工作面回采時(shí)頂板及時(shí)垮落，裝藥量Q 設(shè)計(jì)時(shí)考慮到炸藥爆破作用主要發(fā)生在巖石內(nèi)部，可根據(jù)內(nèi)部巖石所爆范圍修正體積法[13]計(jì)算：

式中：Q 為單孔裝藥量，kg；k 為預(yù)裂爆破修正系數(shù)，k>1；n 為減弱爆破作用指數(shù)；q 為預(yù)裂爆破炸藥單耗，kg/m3；V 為爆破巖石體積，m3。

計(jì)算可得單孔裝藥量Q=300 kg；當(dāng)炮孔布置到頂板巖層時(shí)，考慮富裕系數(shù)，單孔裝藥量Q=315 kg；當(dāng)炮孔布置到集中煤柱時(shí)，考慮富裕系數(shù)，單孔裝藥量Q=330 kg。

2.3 炮孔間距

炸藥在巖體中爆炸形成3 個(gè)區(qū)域：壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)[14]。本次爆破主要是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的裂隙區(qū)，盡可能多地使煤柱和頂板產(chǎn)生裂隙，因此炮孔間距也就是裂隙區(qū)直徑。根據(jù)柱狀不耦合裝藥下，Mises 強(qiáng)度準(zhǔn)則可以計(jì)算出裂隙區(qū)半徑：

式中：Rp為裂隙區(qū)半徑，mm；σcd為巖石單軸動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，MPa；σtd為巖石單軸動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，MPa；β 為應(yīng)力波傳播衰減指數(shù)，β=2-μd/（1-μd）；μd為巖石動(dòng)態(tài)泊松比，μd=0.8μ；μ 為巖石靜態(tài)泊松比；ρ0為炸藥的密度，kg/m3；Dv為炸藥的爆速，m/s；n′為炸藥爆炸產(chǎn)物碰壁時(shí)的壓力增大系數(shù)；K 為裝藥不耦合系數(shù)；η 為爆轟產(chǎn)物膨脹絕熱指數(shù)；le為裝藥軸向系數(shù)；B=[（1+b）2+（1+b2）-2μd（1-μd）（1-b）2]1/2；b 為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)，b=μd/（1-μd）；α 為沖擊波傳播衰減指數(shù)，α=2+μd/（1-μd）；rb為炮孔的半徑，mm。

經(jīng)計(jì)算，本次爆破裂隙區(qū)半徑Rc=10 m，因此炮孔間距定為20 m。

2.4 封孔長度

封孔在爆破中是1 個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，封孔長度既要保證高溫高壓的爆炸氣體不沖出孔口又要保證不影響相鄰炮孔的穩(wěn)定性。深孔爆破封孔好可以保證爆破產(chǎn)生的氣體不外泄，有利于形成更大的裂隙區(qū)，保證了爆破效果和安全。封口效果不好容易造成沖孔或爆破漏斗[15]，引發(fā)安全事故。傳統(tǒng)的炮孔封堵采用的是黃土和水泡泥，深孔爆破炸藥藥量大，爆破產(chǎn)生的沖擊力強(qiáng)，可以采用素水泥封堵炮孔，極大的提高了封口密實(shí)度[16]。封孔長度L 可以根據(jù)利文斯頓爆破漏斗原理計(jì)算：

式中：L 為設(shè)計(jì)封孔長度，mm；f（n）為球形藥包對(duì)自由面巖石爆破作用指數(shù)函數(shù)；f（n′）為柱狀藥包對(duì)內(nèi)部巖石爆破作用函數(shù)；w 為最小抵抗線，mm；d為孔徑，mm。

計(jì)算可得本次深孔爆破炮孔封孔長度為14 m。

2.5 其它爆破參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)條件、孔深、藥卷直徑等因素考慮，選用直徑為190 mm 的風(fēng)鉆鉆孔，炸藥選用水膠炸藥，裝藥線密度為28.45 kg/m 和31.5 kg/m，采用連續(xù)不耦合裝藥，裝藥長度集中煤柱內(nèi)11.6 m，頂板巖層內(nèi)10 m，每個(gè)炮孔內(nèi)裝2 根導(dǎo)爆索，保證每個(gè)炮孔都能起爆。地面預(yù)裂深孔爆破參數(shù)見表1，炮孔及裝藥結(jié)構(gòu)如圖1。

表1 地面深孔預(yù)裂爆破參數(shù)Table 1 Parameters of ground deep hole pre-splitting blasting

圖1 炮孔及裝藥結(jié)構(gòu)Fig.1 Gun hole and charging structure

2.6 爆破方案

根據(jù)22 煤集中隔離煤柱的布置，在第1 段、第2段和第4 段集中隔離煤柱內(nèi)各布置1 排深孔預(yù)裂爆破炮孔，在第3 段集中隔離煤柱布置2 排深孔預(yù)裂爆破炮孔，其中1 排布置在22 煤采空區(qū)頂板內(nèi)。第4 段集中隔離煤柱的炮孔間距均為20 m，端頭炮孔距離巷道的保護(hù)距離為38.5 m，第3 段集中隔離煤柱的2 排炮孔排距41.8 m，炮孔布置如圖2。

3 爆破安全

根據(jù)GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中爆破振動(dòng)安全允許距離的規(guī)定，安全允許質(zhì)點(diǎn)振速的計(jì)算公式為：

圖2 炮孔布置Fig.2 Arrangement of gun hole

式中：R 為爆破振動(dòng)所允許的安全距離，m；v 為保護(hù)對(duì)象所允許的質(zhì)點(diǎn)安全振動(dòng)速度，cm/s；Qb為爆炸藥量，延時(shí)爆破時(shí)為一段最大藥量，齊爆時(shí)為總藥量，kg；K′、δ 為與爆破點(diǎn)周圍的地質(zhì)、地形條件有關(guān)的系數(shù)和指數(shù)。

3.1 地面安全

本次爆破單孔最大裝藥量Q=330 kg；根據(jù)本次爆破的地質(zhì)條件，中硬巖石時(shí)取K′=200，δ=1.7；地面附近有磚房，《爆破安全規(guī)程》中保護(hù)對(duì)象所允許的質(zhì)點(diǎn)安全振動(dòng)速度取v=2.5 cm/s；經(jīng)計(jì)算本次爆破振動(dòng)所允許的安全距離R=92 m。

通過地表建筑物可知，最近的民居磚房距離本次爆破的邊界700 m 以上，遠(yuǎn)大于爆破振動(dòng)所允許的安全距離，因此本次爆破地面建筑物是安全的。

3.2 井下安全

井下巷道在爆破中的安全十分重要，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中對(duì)井下巷道所允許的質(zhì)點(diǎn)安全振動(dòng)速度為15 cm/s，經(jīng)計(jì)算本次爆破振動(dòng)巷道所允許的安全距離為31 m，因此爆破周圍的巷道35 m 范圍內(nèi)需要加強(qiáng)支護(hù)。

爆破前后實(shí)時(shí)監(jiān)控爆破區(qū)域瓦斯?jié)舛?，瓦斯超?biāo)時(shí)嚴(yán)禁爆破作業(yè)，其次，要嚴(yán)格按《爆破安全規(guī)程》中對(duì)布孔、裝藥、填塞、起爆等工序的要求執(zhí)行，以防爆破安全事故。

4 應(yīng)用效果

1）31203 綜采工作面地面深孔預(yù)裂爆破后，根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)分析初次來壓步距為43 m，比上個(gè)工作面減少15 m，初次來壓時(shí)位于上覆隔離煤柱下方（進(jìn)煤柱9 m 位置），來壓時(shí)工作面支架載荷正常，頂板大部分及時(shí)垮落。

2）工作面來壓時(shí)，上隅角O2濃度19.5%，CO 濃度40×10-6，瓦斯等有毒有害氣體濃度正常。

3）31203 綜采工作面周期來壓步距12.4 m，最大壓力46 MPa，來壓持續(xù)1 刀，工作面及兩巷頂板垮落正常。

5 結(jié) 論

1）采用地面深孔預(yù)裂爆破弱化上部煤柱可以釋放頂板煤柱的部分壓力，降低應(yīng)力集中程度，起到很好的卸壓效果。

2）31203 綜采工作面上部煤柱實(shí)施地面深孔預(yù)裂爆破后，初次來壓步距縮短為43 m，比上個(gè)工作面減少15 m，爆破效果明顯，破壞了上部煤柱的完整性，促使頂板及時(shí)垮落，避免了沖擊載荷等事故的發(fā)生。