深孔爆破預裂厚硬頂板在沿空留巷中的應用

侯曉琛

（山西洪洞西山光道煤業有限公司，山西 臨汾 033400）

0 引言

我國煤炭資源儲量十分豐富，在多年的煤炭開采過程中，許多開采問題制約著礦井的正常開采，堅硬頂板則是制約礦井開采最為重要的原因之一。為保證巷道穩定性，許多煤礦采用增大護巷煤柱的方法進行支護，這使得煤炭資源浪費較為嚴重。為了解決堅硬頂板問題，眾多學者對其進行治理研究，目前針對堅硬頂板問題主要的治理措施有爆破切頂卸壓、水力切頂卸壓、靜力切頂卸壓，每種切頂卸壓方法均具有各自的優勢。爆破切頂卸壓作為最為常見的卸壓方式，其具有操作簡單、施工方便的優點[1-2]，但在普通爆破過程中，爆炸能量向四周擴散，爆轟壓力均勻施加于炮孔壁，使得大部分能量直接作用于破碎巖體，造成破碎區范圍深度淺、范圍廣的現象，未能達到理想效果[3]。因此本文基于傳統爆破提出聚能爆破切頂卸壓法，有效解決了傳統爆破卸壓存在的不足，為礦井堅硬頂板問題的解決提供參考。

1 數值模擬

聚能爆破是指在傳統爆破的基礎上，經人為設定使得爆破能量沿著指定方向流通，在頂板位置形成聚能流，將聚能流集中在預先設定的方向上，此時聚能爆破能源傳播則會具備傳統爆破不具備的定向性，有效地減小了粉碎區的半徑，使得頂板沿著指定方向進一步發育，有效增加了裂隙發育區范圍，實現了頂板定向斷裂，達到了切頂卸壓的目的。為了實現聚能爆破效果的最佳化，對聚能爆破切頂卸壓的參數進行優化研究。

根據相關研究可知，炸藥爆破產生的沖擊波和爆轟氣體共同作用于巖石，在外力的作用下，此時巖石裂紋發育、擴展。而沖擊波在巖體裂隙擴展過程中起到促進裂隙發育的作用。選用ANSYS 數值模擬軟件進行模擬研究，根據巖體連續、各項同性、彈塑性的假設，選擇MAT_PLASTIC_KINEMATIC 來模擬巖石材料。巖石的力學參數為：密度2 600 kg/m3、泊松比0.15、切線模量3.5 GPa、抗壓強度60 MPa、抗拉強度10 MPa、屈服模量36 MPa。炸藥采用二級乳化炸藥，模型設定的參數為聚能罩采用錐形，夾角60°，炮孔直徑70 mm，徑向的不耦合系數1.6，介質為空氣，分別模擬不同炮孔間距下的爆破效果，選定爆破間距分別為0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m 和1.4 m。炮孔間距為1.2 m 的應力云圖及不同間距下壓力情況如圖1 所示。

圖1 炮孔間距1.2 m 應力云圖及不同炮孔間距下壓力曲線

根據圖1 模擬結果可知，不同炮孔間距下壓應力分布情況較為相似，當炮孔間距過大（1.4 m）時，此時的炮孔中心線未達到應力的疊加，且未貫穿，而當炮孔間距較小時，壓應力疊加區域逐步增大。觀察不同炮孔間距下壓力曲線可知，監測點大多壓力隨時間的增大呈現先增大后減小的趨勢，形狀類似“三角形”。炮孔間距越大，此時測點壓力峰值則越小，且測點達到峰值時間呈現增大趨勢。當炮孔間距設定為0.6 m時，此時壓力峰值約44.6 MPa；增大孔間距至0.8 m時，壓力峰值為41.2 MPa；間距增大為1.0 m 時，壓力峰值約37.5 MPa；間距為1.2 m、1.4 m 時，壓力峰值分別為31.5 MPa 和25.2 MPa。考慮到聚能爆破切頂目的是達到炮孔間裂隙貫通，需要兩炮孔之間趨于裂隙基本貫穿，同時又將爆破消耗降到最低，所以當炮孔間距為1.4 m 時，此時的爆破效果不佳，未達到孔間貫通，孔間距小于1.2 m 時，此時巖體破碎嚴重，裂隙發育明顯，爆破消耗較大，所以聚能爆破最佳炮孔間距選定為1.2 m 較為合適。

對不同炮孔直徑下的爆破效果進行分析，爆破直徑分別選定為50 mm、60 mm、70 mm、80 mm 和90 mm。對不同裝藥直徑下的應力峰值進行分析，所得壓力分布情況如圖2 所示。

圖2 不同炮孔直徑下壓力曲線

從圖2 可以看出，不同炮孔直徑下監測點的壓力同樣呈現出先增大后減小的趨勢，曲線呈“三角形”分布。應力峰值隨著炮孔直徑的增加呈現逐步增大的趨勢，且隨著直徑的增大，測點達到應力峰值的時間也隨之增加。當設定的炮孔直徑為50 mm 時，巖石的壓力峰值為28.2 MPa；而當炮孔直徑增大至60 mm 時，此時的巖石壓力峰值約為33.2 MPa，均未達到最大動態抗拉強度，所以此時的裂隙未完全擴展，爆破未達到要求。當設定炮孔直徑為70 mm、80 mm 和90 mm 時，巖石的壓力峰值均大于最大動態抗拉強度35 MPa，能夠滿足爆破要求，同時綜合考慮爆破成本，最終確定炮孔直徑為70 mm。

對不同徑向不耦合系數下巖石的爆破效果進行分析，選擇徑向不耦合系數分別為1.2、1.4、1.6、1.8 和2.0 進行研究，不同徑向不耦合系數下巖石應力分布曲線如圖3 所示。

圖3 不同徑向不耦合系數下壓力曲線

從圖3 可以看出，不同徑向不耦合系數下，整體壓力分布情況類似，均呈“三角形”分布，隨著時間的增大，壓力呈現先增后減的趨勢。同時隨著徑向不耦合系數的增大，巖石內部壓力峰值呈現先增大后減小的趨勢，同時觀察不同徑向耦合系數下壓力峰值出現的時間可以看出，徑向不耦合系數越大，峰值出現的時間越晚。當徑向不耦合系數為1.2～1.6 時，巖石的壓力峰值從小到大依次為36 MPa、40 MPa、45 MPa，此時壓力峰值能夠達到最大動態抗拉強度，此次的裂隙充分發育和擴展滿足爆破要求。而當徑向不耦合系數增大為1.8 和2.0 時，此時的壓力峰值為35 MPa 和27 MPa，壓力峰值有了明顯的下降，所以最佳徑向不耦合系數為1.6。

2 工業化試驗

根據模擬結果進行工業化試驗，在工作面回風順槽進行聚能預裂爆破。根據頂板巖性，并結合模擬結果，確定鉆孔孔徑為48 mm、外徑為40 mm、聚能管壁厚為1.8 mm、鉆孔間距1.2 m、深度為6 m。完成爆破后，對巷道表面位移進行監測，對沿空留巷圍巖變形量進行監測。在開切眼每隔10 m 設置1 個測站，運用十字交叉法監測巷道頂底板及兩幫的變形情況，巷道圍巖變形情況如圖4 所示。

圖4 巷道圍巖變形曲線

從圖4 可以看出，在無聚能爆破時，頂板變形量及兩幫移進量隨距工作面距離的減小呈現出減小的趨勢。在距離工作面后方200～500 m 時，頂板變形量及兩幫移進量變化趨勢較緩，而在工作面后方0～100 m時，變形量變化幅度急劇增加；在工作面后方500 m位置，頂板變形量及兩幫移進量均達到最大值，最大值分別為309 mm 和702 mm。通過聚能爆破后，頂板變形量及兩幫移進量變化趨勢無較大變化，但頂板變形量及兩幫移進量分別減小為169 mm 和450 mm，頂板下沉量較未切頂前減小了281 mm，減小幅度為62.4%，兩幫移進量減小252 mm，減小幅度為35.8%。由此可以看出，經過聚能爆破切頂卸壓可以達到頂板弱化效果，有效控制圍巖變形，保障了巷道穩定性。

3 結論

1）通過對不同炮孔間距下測點壓力峰值進行分析發現，隨著炮孔間距的增大，壓力峰值逐步增大，達到峰值的時間也增大，最佳炮孔間距為1.2 m。

2）對不同裝藥直徑下應力峰值進行分析。不同炮孔直徑下監測點的壓力同樣呈現出先增大后減小的趨勢，最佳炮孔直徑為70 mm。

3）隨著徑向不耦合系數的增大，巖石內部壓力峰值呈現先增大后減小的趨勢，最佳徑向不耦合系數為1.6。

4）經過工業化實踐發現，經過聚能爆破，巷道頂板下沉量及兩幫移近量有了明顯的降低，達到了弱化頂板的目的。