深埋薄基巖聚能爆破切頂卸壓關鍵技術可靠性研究

徐衛東

（焦作煤業集團趙固（新鄉）能源有限責任公司，河南 新鄉 453000）

沿空留巷技術憑借其無煤柱優勢成為了我國煤炭綠色高效開采的發展方向之一[1]，切頂自成巷技術取消了巷旁充填體，是近年來一種新型的沿空留巷方式[2-3]。該技術利用頂板定向切縫技術，切斷巷道懸頂結構，削弱巷道上方力的傳遞[4]。目前，國內礦井大多采用聚能爆破技術進行切頂，其技術體系和裝備也逐漸完善[5]。

目前，國內學者對沿空留巷問題進行了大量研究，何滿潮等[6]認為煤層開采后頂板的空頂面積較大，導致下方的支撐物產生變形，并且產生了應力集中現象，為了使堅硬頂板產生破斷，提出了爆破切頂預裂技術。預裂切頂主要通過人為干預減小巷道頂板懸臂梁長度，讓回采動壓向深部轉移，減輕其對留巷區域附近煤體的影響。王晉勇等[7]基于數值模擬分析了不同開采距離下圍巖結構的演化規律，配合采用深孔聚能爆破技術實現了深井頂板堅硬致裂。王炯等[8]研究了切頂后留巷區域頂板的應力分布和應力傳遞，明確了切縫角度和切縫高度對應力優化的影響。上述學者的研究推動了我國沿空留巷切頂卸壓技術的發展，但在深埋薄基巖切頂卸壓沿空留巷中，受掘進、采動、爆破等動壓影響，塑性區大，圍巖破碎、巷道變形嚴重，深埋薄基巖聚能爆破切頂卸壓技術仍存在一些技術難題。

鑒于此，該文以趙固一礦16061 工作面為研究背景，結合理論分析、數值模擬分析和現場工業性試驗互相協同的手段，對深埋薄基巖礦區聚能爆破切頂卸壓的適應性和可靠性進行研究，以期為類似條件下礦井的聚能爆破技術提供借鑒方案。

1 工程概況

16061 工作面屬于礦井-525 m 水平，位于礦井北翼，所屬盤區為西六盤區，工作面目前開采二1煤層，其底板標高為-414.1～-464.4 m，對應地面位置標高為+84.7～+86.4 m，平均埋深為526 m。二1煤層上覆基巖厚度較薄，第四系和新近系厚松散層直接覆蓋在基巖上部，第四系、新近系厚松散層平均厚度480 m，基巖平均厚度44.8 m。

16061 工作面采用走向長壁采煤方法，采用綜合機械化采煤工藝，主采二1 煤層平均厚度6.0 m，沿煤層頂板回采，采高3.0～3.5 m，煤層平均傾角為4°，工作面長1 474.2 m，寬145 m，采用全部垮落法管理采空區。工作面如圖1 所示。

圖1 工作面布置示意圖

16061 上順槽回采后進行沿空留巷，16051 上順槽采用沿空留巷供16061 作為下順槽使用。16061上順槽沿煤層頂板掘進，采用矩形斷面，巷道尺寸為：凈寬5 m，凈高3.2 m，長度1 935.31 m，采用錨網索+槽鋼梁支護。16061 上順槽頂板存在平均厚度1 m 的泥巖偽頂，順槽直接頂為砂質泥巖，平均厚度2.0 m；基本頂為中粒砂巖，平均厚度15.6 m；直接底巖性主要為泥巖和砂質泥巖，平均厚度15 m。16061 上順槽頂底板情況見表1。

表1 16061 上順槽頂底板情況表

2 聚能爆破技術原理

聚能爆破技術[9]主要利用聚能裝藥裝置，使給定方向上的張拉應力集中，促使在巖層中產生預裂面，如圖1 所示。在聚能裝置的作用下，集中爆轟沖擊波向聚能孔傳遞聚集后作用于孔壁，強沖擊力作用于孔壁后，孔壁上形成初始裂隙；聚能管發揮聚能作用，孔壁受力進一步集中，初始裂隙受力擴展。隨著沖擊波衰減為應力波，初始裂隙承受應力波和爆生氣體共同推動的準靜壓作用，裂隙不斷向孔壁兩側深處擴展形成貫穿型裂隙，從而實現有效預裂切縫[10]。

炸藥起爆后孔內出現爆轟產物流，該爆轟產物流受聚能管的聚能作用影響轉化為巖石沖擊作用力，在聚能孔位置以沖擊作用力p直接作用于孔壁巖石：

式中：ρ0為爆破孔內爆轟產物的密度，kg/m3；D為炸藥的爆速，m/s；VC為爆破孔裝藥體積，m3；Vb為爆破孔體積，m3；n為孔內壓力增大系數，n=8～11。由圖2 可知，聚能管的存在使得整個炮孔壁和聚能孔位置B 出現壓力差。該壓力差在聚能孔位置（范圍B 內）巖石內部產生剪切力τ，沖擊作用力p和剪切力τ導致聚能孔位置巖石發生局部剪切滑移，剪切滑移線如圖2（b）所示。假設孔壁剪切滑移深度為孔壁初始裂紋長度，此時可知：

圖2 聚能爆破原理圖

式中：a為剪切滑移深度（爆破孔壁初始裂紋長度），m；B為聚能孔直徑，mm；φ為爆破孔巖石內摩擦角，（°）。

3 聚能爆破關鍵參數設計

以趙固一礦典型深埋薄基巖工作面為工程背景，在16061 上順槽頂板通過聚能爆破預裂方式進行頂板預裂切縫，切斷16061 上順槽基本頂之間的部分結構，減小其應力聯系，同時利于回采后采空區頂板沿切縫面垮落形成巷幫。聚能爆破關鍵技術參數設計如下：

3.1 爆破孔深度

聚能爆破切割巷道一側頂板是沿空留巷切頂卸壓技術的核心，為最大限度減緩頂板沿空回轉對沿空巷道的影響，應使得垮落的巖層充滿采空區，對上部巖塊起到支撐作用。若垮落的矸石無法充滿采空區，無法對上位巖層起到支撐作用，上位巖層運動會對沿空巷道施加壓力，此時需增加切頂高度。為使切頂后垮落的頂板碎石能夠充填滿采空區形成巷幫，爆破孔深度原則上須大于冒落帶高度，依據巖石的碎脹特性，理想狀態下切頂高度應滿足下式：

式中：h為爆破孔深度，m；h0為工作面采高，m；K為切頂巖層碎脹系數。

結合實際切頂情況，趙固一礦16061 上順槽上覆基巖屬于二疊系巖層，成巖時期相對較晚，屬于中硬巖石，巖石碎脹系數平均1.24。目前最大采高3.5 m，不考慮底鼓以及頂板下沉的影響，理論爆破孔深度h=3.5/（1.24-1）m ≈15.0 m。

3.2 爆破孔角度

趙固一礦16061 上順槽直接頂為平均厚度2 m砂質泥巖，巖層較薄且軟，大部分隨回采破壞垮落，切頂對其影響較小。基本頂為平均厚度15.6 m 的中粒砂巖，當采用切頂卸壓工藝時，切頂卸壓技術主要切落頂板形成穩定巷幫，因此，要求預裂切縫能夠使巖塊B 沿切縫滑落，且盡量避免其回轉變形。留巷區域切頂巖塊結構如圖3 所示。

圖3 關鍵塊受力分析示意圖

結合趙固一礦的實際條件，將基本頂中粒砂巖層的斷裂面與垂直面的角度設為θ，根據砌體梁理論和圍巖結構S-R 穩定原理可知，巖塊B 失穩后滑落需滿足如下條件：

式中：T為巖塊所受水平推力，T=ql2/[2（h-△s）]，kN；R為巖塊所受剪力R=ql，kN；l為基本頂巖塊的長度，m；q為基本頂的載荷系數，kN/m；h為基本頂的厚度，m；θ為切頂角度，（°）。

化簡后得：

式中：φ為巖塊間的摩擦角，巖石摩擦角為25°～35°，潮濕環境下平均降低3°。結合趙固一礦井下實際條件，取基本頂巖塊間摩擦角為22°～32°。

二1煤基本頂中粒砂巖平均厚度15.6 m，直接頂砂質泥巖和偽頂泥巖平均3 m，考慮碎脹系數1.25～1.3，當直接頂全部垮落后，因工作面采高在3.0～3.5 m 之間變化，基本頂最大下沉量取2～2.75 m。巷道切頂后上覆基本頂板破斷結構的一般規律如圖4（a）所示。依據巷道頂板觀測及頂板結構演化分析結果，16061 工作面回采后采空區上覆基本頂破斷形成等腰三角塊體的長度約L=50～60 m，如圖4（b）所示。根據上述理論，不考慮底鼓影響，確定爆破孔角度θ=5°～10°。

3.3 爆破孔直徑和間距

聚能爆破后沿徑向和切縫方向炮孔半徑1～2 倍的范圍內產生向外擴展的初始裂隙，且初始裂隙會隨著炮孔直徑以及單位耗藥量增加而增加。本次方案所選礦用乳化炸藥Φ32 mm×335 mm，PVC 聚能管Φ40 mm×2000 mm，結合趙固一礦16061 工作面頂板中粒砂巖巖性和以往頂板深孔爆破預裂經驗以及施工進度要求等，設計鉆孔直徑d=50 mm。

對于16061 上順槽頂板切縫，須確定可行的最大孔距，以達到最好的技術經濟效果。根據前述的聚能爆破技術原理，16061 上順槽頂板以中粒砂巖為主，炮孔壁導向裂紋長度最小為300 mm，綜合現場實際經驗和中硬質砂巖石的最小抵抗線常用值，一般取值為300～400 mm。孔間距越小，兩孔間的裂縫越容易連通，形成的切割面越平整，同時也會給施工現場增加更多的工程量，增加炸藥用量，造成一定程度上的資源浪費。綜合上述因素，確定在施工頂板預裂鉆孔時優先選擇孔距L=300 mm。

3.4 裝藥結構及封孔

結合趙固一礦實際情況，根據爆破預裂切縫需要，選用煤礦三級許用乳化炸藥，炸藥直徑φ=35 mm，長l=335 mm，質量m=300 g。裝藥不耦合系數K=d/φ=50/40=1.25，裝藥集中度q=600 g/m。使用2.0 m 長聚能管輔助進行裝藥，每孔4 節聚能管，從上向下裝藥結構為6-5-5-4，連續正向裝藥，并注漿封實。

深孔爆破時，設計封孔長度5.0 m，封孔炮泥長度不得小于孔深的1/3，使用礦用封孔器（囊袋）、封孔注漿料配合煤礦用氣動注漿泵進行注漿封孔。裝藥及封孔結構如圖5。

圖5 裝藥及封孔結構示意圖（m）

4 聚能爆破施工工藝

4.1 爆破工序

檢查施工地點頂板→頂板鉆孔施工→裝藥前瓦斯檢查→炸藥裝入聚能管中→起爆藥卷裝入聚能管中并連接好→聚能管送入炮孔→注漿封孔→相鄰炮孔連線→母線連接→爆破前瓦斯檢查→起爆地點瓦斯檢查→爆破后瓦斯檢查→清理現場→進入下一循環。

4.2 封孔工藝

將聚能管安裝到位后，使用少量炮泥進行封堵，塞入封孔囊袋，孔口預留長度0.3～0.5 m 注漿管，以便連接注漿管路。推送封孔囊袋時，要緩慢進行，防止損傷爆破線路。用快速接頭將囊袋注漿管連接到注漿泵上，待注漿料充分混合后即可開啟泵進行注漿。當注漿泵聲音悶沉或注漿壓力達到1.4～1.6 MPa 時，即可停止。注完后將囊袋外部的注漿管斷開并打折，防止孔內漿液漏出，隨后換孔重復注漿、封孔作業，直到全部爆破孔封孔結束。單孔注漿凝固時間約為30 min，全部爆破孔封孔結束并等待30 min 后，方可開始爆破。

5 聚能爆破試驗效果

5.1 切縫效果

聚能爆破完成后，為掌握聚能爆破工藝是否能夠形成有效切縫，進行頂板鉆孔窺視，窺視結果如圖6 所示。頂板窺視鉆孔參數與爆破鉆孔參數相同，位于兩聚能爆破鉆孔連線中點。

圖6 鉆孔窺視結果圖

研究表明，從鉆孔深度5 m 到15 m 均出現明顯裂縫，緊靠封孔位置（鉆孔深度5 m）鉆孔四周明顯破碎，裂隙發育。鉆孔內部大部分內壁出現明顯對稱切縫，其他方向無明顯破壞。聚能爆破鉆孔內裂縫基本達到目標層位，裂縫對稱分布，預裂切縫效果較好。

5.2 留巷效果

使用聚能爆破切頂卸壓技術后，留巷巷道變形得到有效控制，沿空留巷效果較好，研究結果表明，該技術在深埋薄基巖礦區切頂卸壓的應用中可靠性較好。

6 結語

通過分析16061 工作面實際的深埋薄基巖地質條件，結合聚能爆破原理，制定了合適的聚能爆破關鍵技術參數，通過理論分析、數值仿真和現場試驗相結合的手段，得到了如下結論：

1）通過理論分析明確了聚能爆破預裂切縫技術的原理，并結合深埋薄基巖情況確定了聚能爆破關鍵參數，設計爆破孔深15.0 m，直徑50 mm，孔間距600 mm，使用礦用封孔器（囊袋）和封孔注漿料配合礦用氣動注漿泵進行注漿封孔，能夠滿足礦井目前的深埋薄基巖切頂卸壓需求。

2）結合現場工業性試驗研究，優化了聚能爆破施工工序和封孔工藝，改善了目前深埋薄基巖聚能爆破工藝復雜、操作要求高、封孔難度大、耗時長等問題，提高了聚能爆破技術在深埋薄基巖條件下切縫的適應性和可靠性。

3）趙固一礦16061 上順槽聚能爆破切縫工程實踐及現場鉆孔窺視結果表明，聚能爆破鉆孔內裂縫基本達到目標層位，且裂縫對稱分布，聚能爆破切縫效果較好。