斷頂爆破在4310 工作面防治沖擊地壓的研究和應(yīng)用

王龍飛 趙燕席 王 飛

（濟(jì)寧能源發(fā)展集團(tuán)有限公司義橋煤礦，山東 汶上 272511）

為做好義橋煤礦4310 工作面回采期間的沖擊地壓防治，防止回采過程中工作面壓力過大帶來的潛在沖擊危險(xiǎn)，對工作面煤層進(jìn)行松動(dòng)爆破預(yù)卸壓處理，隨采煤工作面推進(jìn)逐步釋放煤層聚集的彈性能，減弱工作面沖擊危險(xiǎn)性，就采用頂板爆破預(yù)裂對4310 工作面切眼和兩順槽頂板進(jìn)行了處理[1-8]。

1 概述

4310 工作面位于義橋煤礦四采區(qū)膠帶下山以北，并以采區(qū)膠帶下山為工作面膠帶順槽，北面為原4308 工作面軌道順槽，4310 工作面軌道順槽距離4308 采空區(qū)最近處30 m，東側(cè)為四采區(qū)軌道巷，西側(cè)為FY19 斷層。開采水平為-335m 水平，工作面標(biāo)高為-546.5～ -630.6 m，地面標(biāo)高為+44.5～+45.2 m，煤層埋深591.0～675.8 m，平均633.4 m。工作面開采煤層為早二迭系山西組3 煤層，以亮煤為主，次為暗煤，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，厚度較穩(wěn)定。由于受斷層FY19 的影響，煤層傾角局部變大。根據(jù)山東科技大學(xué)《4310 工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性評價(jià)報(bào)告》得出4310 工作面為“中等沖擊工作面”。為防止回采后采空區(qū)頂板堅(jiān)硬巖層因懸頂面積過大突然垮落時(shí)造成的強(qiáng)烈沖擊影響，工作面回采前對工作面切眼、兩順槽進(jìn)行頂板爆破斷頂預(yù)裂。

2 鉆孔布置參數(shù)

地質(zhì)柱狀圖顯示，4310 工作面與堅(jiān)硬頂板之間的平均距離為17.1 m。為了達(dá)到降低沖擊地壓危險(xiǎn)性的目的，選取頂板深孔爆破垂高17.1 m，根據(jù)炮眼深度的計(jì)算如式（1）：

式中：L為鉆孔的理論深度；h1為偽頂和直接頂?shù)纳疃龋籬2為頂板中細(xì)砂巖的深度；α為鉆孔的設(shè)計(jì)傾角。

設(shè)計(jì)鉆孔深度為20 m，傾角為60°，軌順施工鉆孔朝工作面外傾斜，如圖1（a），皮順施工鉆孔朝工作面內(nèi)傾斜，如圖1（b）。

圖1 工作面斷頂鉆孔布置示意圖

炸藥爆炸后，從爆破原點(diǎn)向外依次形成三個(gè)區(qū)段，分別為壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)。通過爆破作用產(chǎn)生的影響作用主要為壓碎區(qū)和裂隙區(qū)，只要計(jì)算出兩者之間的具體范圍，就可以確定出鉆孔之間的深度和間距。頂板預(yù)裂爆破是在頂板深孔中進(jìn)行的，不耦合裝藥時(shí)，應(yīng)該按照爆炸應(yīng)力波來計(jì)算出卸壓爆破的壓碎區(qū)和裂隙區(qū)的具體范圍。經(jīng)計(jì)算炸藥爆炸后形成的裂隙區(qū)半徑為2.3 m，直徑為4.6 m，去掉壓碎區(qū)后設(shè)計(jì)炮眼之間裂隙帶的間距為10 m。

3 裝藥量參數(shù)

已知空氣不耦合裝藥條件下，炮眼壁上產(chǎn)生的沖擊壓力Pc為：

式中：Lc為鉆孔中藥卷的總長度；La為鉆孔中封孔的總距離；ρe、D分別為炸藥密度和爆速，ρe=1.20×103kg/m3，D=4400 m/s；dc、db分 別 為 炸藥和炮孔直徑，Φ58 mm（3 株藥卷捆綁在一起）和Φ76 mm；n為爆生氣體碰撞巖壁時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力增大倍數(shù)，n=8～12，取12。

當(dāng)Pc≤KbSc時(shí)，要充分考慮到爆破原始點(diǎn)產(chǎn)生的沖擊波壓力在煤巖體中不斷地衰減，由式（2）可以得出每米鉆孔的裝藥長度：

式中：α為沖擊波應(yīng)力波在煤巖體中的衰減指數(shù)，取值α=2.0；Kb為應(yīng)力狀態(tài)下煤巖體抗壓強(qiáng)度的增大系數(shù)，取Kb=5.5；Sc為煤巖體單軸抗壓的強(qiáng)度，義橋煤礦取Sc=105 MPa。

根據(jù)J.R.不里克曼的套管分離理論，爆破套管能夠分隔爆炸沖擊波產(chǎn)生的能量，爆破產(chǎn)生氣體分析可以研究爆破能量的不同分區(qū)情況。首次沖擊波能量約占炸藥總能量的10%～20%左右，爆炸產(chǎn)生的氣體膨脹能量約占炸藥總能量的50%～60%左右，故爆炸產(chǎn)生的氣體膨脹能量破壞作用最大。沖擊波能量主要作用在壓碎區(qū)，而氣體膨脹能量作用在裂隙區(qū)，其余的20%～30%的爆炸能量由于損失掉而變?yōu)闊o用能。

其中考慮到首次沖擊波主要用于煤巖體壓碎區(qū)、裂隙區(qū)的形成和擴(kuò)展，其能量為一個(gè)區(qū)間，因此取一個(gè)能量平均值15%。經(jīng)計(jì)算，每米鉆孔需要的裝藥長度為：

爆破鉆孔孔底裝藥長度為7 m，其中4 m 位于頂板粉砂巖巖層內(nèi)，3 m 位于頂板細(xì)粒砂巖巖層內(nèi)（見圖1）。

4 爆破參數(shù)及技術(shù)要求

炸藥使用煤礦許用三級乳化炸藥，規(guī)格主要為Ф27 mm×250 mm，150 g/支；雷管主要使用煤礦許用Ⅰ～Ⅴ毫秒延期電雷管，總延期時(shí)間不能超過130 ms；放炮母線必須使用銅芯阻燃爆破母線（長度300 m）；封孔使用規(guī)格為Φ32 mm×250 mm 的水泥藥卷；爆破筒采用PE 管（內(nèi)徑Ф60 mm），使用長度12 m，每孔裝藥12.6 kg，每三支炸藥用膠布集束在一起，放入爆破筒內(nèi)，爆破筒裝藥長度7 m/84 支，同段位毫秒延期電雷管14 發(fā)；水泥藥卷封孔長度不小于3 m，其余用黃泥封孔。具體鉆孔爆破參數(shù)見表1。

表1 工作面爆破斷頂孔施工爆破參數(shù)表

裝藥的具體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 裝藥具體結(jié)構(gòu)效果

該次頂板預(yù)裂爆破共設(shè)計(jì)鉆孔53 個(gè)，受現(xiàn)場環(huán)境影響，實(shí)際施工爆破孔50 個(gè)。鉆機(jī)隊(duì)歷時(shí)7 d，爆破隊(duì)用時(shí)13 d，完成全部爆破工作。

5 效果檢驗(yàn)

工作面區(qū)域監(jiān)測采用微震監(jiān)測（如圖3），局部監(jiān)測方式采用應(yīng)力在線與鉆屑法配合進(jìn)行監(jiān)測。選取SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)對工作面進(jìn)行沖擊地壓危險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠全覆蓋整個(gè)4310 工作面，通過礦震時(shí)釋放能量的大小來確定沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)程度。

圖3 4310 工作面回采期間微震測站布置平面圖

其中斷頂爆破預(yù)裂事件集中在6 月20 日至7月3 日，根據(jù)現(xiàn)場微震監(jiān)測，能量事件發(fā)生情況如圖4。其中6 月6 日至6 月19 日發(fā)生2 次大能量事件，能量級數(shù)最大級數(shù)為1.0×103J；6 月20 日至7 月4日發(fā)生50次大能量事件，最大能量級數(shù)9.0×103J；7 月4 日至7 月18 日發(fā)生2 次大能量事件，能量級數(shù)為101J，能量級數(shù)下降2 個(gè)單位級。

圖4 4310 工作面能量事件發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)圖

6 結(jié)論

（1）回采過程中采用爆破斷頂?shù)姆椒ǎ夭蛇^程中可不施工大直徑卸壓鉆孔；若回采過程中仍存在高應(yīng)力集中區(qū)，可在高應(yīng)力集中區(qū)附近施工大直徑卸壓鉆孔。

（2）斷頂爆破預(yù)裂中難點(diǎn)集中在鉆孔施工和后期裝藥連線過程中，其中為減少對現(xiàn)場施工的影響，采取提前打眼、集中爆破的工藝，即提前準(zhǔn)備好深孔爆破眼，集中一個(gè)班次逐個(gè)爆破。

（3）斷頂爆破鉆孔施工后應(yīng)立即進(jìn)行裝藥爆破，防止鉆孔放置長時(shí)間后受泥巖和應(yīng)力作用造成鉆孔變形，給后期裝藥爆破造成影響。

（4）斷頂爆破預(yù)裂技術(shù)造成頂板破壞影響，給后期回采支護(hù)帶來困難，同時(shí)裝藥階段較為原始，主要為人力裝藥，需要人數(shù)較多，如果增加鉆孔深度，后期裝藥將會(huì)更加困難。

（5）斷頂爆破預(yù)裂技術(shù)分區(qū)域采用，后期應(yīng)采用微震進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測，采用鉆屑法進(jìn)行局部監(jiān)測。