邱集煤礦深孔預裂爆破無損檢測技術研究

云 明 趙 軍 王藝超

（1.山東省邱集煤礦有限公司，山東 德州 251100；2.山東科技大學，山東 青島 266590）

隨著煤炭資源日益減少，傳統預留煤柱開采方式帶來的煤炭資源浪費等問題已經成為亟待解決的問題。沿空留巷作為一種新興的開采方式，相對于傳統的預留煤柱開采在工藝上更加簡單，且無需預留煤柱，可極大減少資源浪費[1]。

沿空留巷施工過程中，若采用巷幫填充來代替預留煤柱承受頂板來壓[2]，沒有改變巷道頂板應力分布狀況，使用巷旁填充不僅人工、物料成本較高，且填充物上承受較大壓力，應力過于集中，存在一定的安全隱患[3]。深孔預裂爆破切頂技術，通過預裂頂板巖梁，切斷應力傳遞，防止應力集中現象出現，有效減輕推采過程中動壓對巷道圍巖變形的影響[4]。

邱集煤礦1102 工作面使用全閉合切頂爆破技術，通過深孔預裂爆破對巷道頂板進行切頂作業[5]。爆破切頂的效果對成巷質量有著重要的意義，因此，為保證切頂質量，在邱集煤礦1102 工作面設計炮孔綜合檢測體系，保證切頂質量。

1 工程概況

邱集煤礦煤巖層主要為南北傾伏的單斜構造，煤巖層走向近東西，傾向北，煤層傾角3°～8°，平均5°。開采的煤層為11 煤，平均厚度2.02 m，頂板為堅硬的雙層灰巖頂板，其中，直接頂五灰的厚度0～3.75 m，平均2.01 m，四灰厚度3.60～7.30 m，平均5.13 m，兩層灰巖之間泥巖頂板的平均厚度為1.14 m。底板為平均厚度5.56 m 的泥巖，頂部夾雜有線性細砂薄巖層。巖層分布柱狀圖如圖1。

圖1 巖層分布柱狀圖

2 深孔預裂爆破檢測技術

頂板預裂切縫是整個切頂卸壓沿空留巷的關鍵和基礎，為從根本上控制切縫質量，需要對現場施工的切縫進行檢測，進一步提高切頂卸壓沿空留巷的完成狀況。對切縫線的檢測主要包括爆破前檢測和爆破后檢測。在裝藥爆破前需要對鉆孔質量進行檢查，爆破后通過“表面—孔內—孔間”三位一體的綜合探測體系，對成型的切縫線通透性等方面進行檢測。

2.1 鉆孔測斜檢測

在爆破前，通過電子多點測斜儀對回采巷道的頂板切縫孔鉆孔質量進行檢測，分別選取位于炮孔縱深2 m、4 m、8 m 處三個位置，定義為淺部基點、中部基點及深部基點，對每個基點測試其井斜角和方位角。其中井斜角為檢測點與巷道豎直方向之間的夾角，方位角是鉆孔方向在地面的投影與地磁場北極的順時針夾角角度。傾角與設計傾角之間的差值分別為井斜偏差及方位偏差，偏差值的正切與炮孔層位長度的乘積是井斜偏移以及方位偏移，最后通過各層位偏移量側疊加，得到總的偏移值。

2.2 巷道表面爆破質量探測

利用防爆相機在井下對鉆孔附近的巷道表面拍照記錄，檢測在定向預裂爆破之后巷道表面產生的預裂切縫的貫通情況以及切縫形態質量。

2.3 孔內預裂縫擴展情況觀測

使用圖2 所示的全景數字鉆孔攝像系統對鉆孔內部進行鉆孔成像。該系統的主要硬件組成部分為礦用本安型全景攝像頭、深度標志物及系統計算主機，并通過絞車和電纜進行連通。軟件部分主要應對鉆孔成像監視以及后期處理，可以將鉆孔攝像機拍攝下來的圖像無縫拼接成一個整體圖像后展開成平面圖，對預裂縫在鉆孔內的擴展情況進行直觀、清晰的展示。

圖2 全景數字鉆孔攝像系統

2.4 孔間裂縫貫通檢測

圍巖體內的裂隙發育程度會影響聲波在巖石中的傳遞速度，基于此項原理，發展出的單孔測試法（圖3）和雙孔測試法（圖4）可用于對切頂效果進行檢測。測試過程中，若切頂效果良好，兩炮孔間圍巖破碎程度較高，則不利于聲波的傳遞，探測結果顯示聲波波速較低；反之，若探測結果顯示聲波波速處于高值，則證明圍巖完整性良好，切頂效果較差。

圖3 單孔測試法

圖4 雙孔測試法

在探測結束后，匯集統計聲波在距圍巖表面不同深度處的傳播速度數據，做出探測深度與波速之間的關系曲線，對巷道被測試段圍巖破壞深度及切頂后裂隙發育狀況進行判斷分析。

3 工程實踐及效果

3.1 施工方案

施工過程中采用煤礦二級許用乳化炸藥，炸藥規格：直徑27 mm，長200 mm，重量0.15 kg/卷。爆破切頂采用內徑63 mm 的特制裝藥工具，該裝藥工具主體為在管側壁雙向開槽的PVC 管，開槽寬度為6 mm。圖5 為特制研發的向上裝藥工具結構示意圖。

圖5 特制裝藥工具

經理論計算與工程實例對比后，同時結合邱集煤礦1102 工作面實際工程概況，確定在1102 軌道順槽采用如下施工方案：鉆孔長度9.5 m，切頂角度為75°，則相應的切頂高度為9.17 m，相鄰鉆孔間距為1 m。裝藥結構選用“2+1+1+2”單孔使用7.35 kg 炸藥的方案進行試驗，其中，孔底到1.5 m 內采用單卷裝藥，1.5～6 m 采用單卷裝藥，6～7.5 m 內采用兩卷裝藥，封堵長度在考慮安全因素以及煤礦安全準則的基礎上不小于2 m。具體試驗參數及方式如表1 和圖6。

表1 裝藥結構

圖6 裝藥結構（m）

3.2 切縫質量檢測

（1）鉆孔測斜檢測結果

由匯總后的檢測結果可知，鉆孔的井斜角基本在161.73° ～167.16°之間，井斜偏差在-3.27°～2.16°之間，經換算累計井斜偏移量在-0.43～0.23 m 之間。方位偏差較井斜偏差小，累計方位偏差基本穩定在-0.37～0.27 之間。由于在鉆孔過程中受到巖層層位變化的影響，鉆孔鉆進過程中會產生一定的誤差，誤差在一定范圍內對切頂效果影響較小。根據工程經驗可知，當偏移距離大于0.5 m，即炮孔間距大于1.5 m 時會影響爆破效果。根據上述統計數據可知，所有鉆孔累計偏移量都小于0.5 m，能夠達到預期的爆破效果。

（2）巷道表面質量探測結果

應用礦用本安型防爆相機對爆破切頂后的巷道表面拍照。在孔口可看到明顯的切縫線，隨工作面推采過后，可以看到明顯的切縫線與切縫面。

（3）鉆孔窺視檢查結果

窺視情況顯示，爆破切縫線從封堵段開始產生，后續沿炮孔向內擴展的裂隙發育明顯且充分，孔口及孔壁形態完好，爆破產生的沖擊不會影響周圍錨索的施工。

（4）孔間裂縫貫通檢測結果

在預裂切頂之后，對炮孔進行聲波測試時邊注水邊檢測，對爆破孔前后進行聲波測試，經過整理得到孔深2～6 m 的聲波測試結果，如圖7 所示。可以看出，爆破前由于巖石完整性良好測得的波速平均為6000 m/s，在爆破后測得的波速明顯下降，平均波速為4800 m/s。并且由于爆破裂隙的存在，在測試堵水的過程中，可以明顯地看到注水從相鄰孔中流出。

圖7 聲波測試結果

4 結論

（1）采用爆破前鉆孔檢測和爆破后“表面-孔內-孔間”的聯合檢測方式，可有效觀察鉆孔質量以及切頂后的切縫質量，且觀測結果準確。

（2）選用“2+1+1+2”單孔使用7.35 kg 炸藥的方案，可在爆破過程中產生良好的切縫效果，形成明顯的切縫面。