薄煤層復(fù)合頂板切縫聚能爆破參數(shù)試驗及確定方法

劉小強　張國鋒　唐文勝

摘 要：為獲取“堅硬軟弱”復(fù)合頂板爆破預(yù)裂切縫的較好預(yù)裂效果，文章通過對小河嘴煤礦2018工作面運輸巷現(xiàn)場試驗和分析，針對巷道直接頂較軟弱、基本頂堅硬的復(fù)合巖層條件，試驗得到了合理的爆破預(yù)裂切縫參數(shù)，掌握了這種特殊條件下聚能爆破切縫的方法。結(jié)果表明：切縫藥包和封泥位置位于軟弱巖層中時，由于孔壁裂隙發(fā)育，爆破能量易沿孔壁裂隙發(fā)生沖楔作用，聚能效果較差；對于堅硬巖層，裝藥線密度越大，張拉切縫效果越明顯，線密度越小，越易出現(xiàn)壓裂破壞。

關(guān)鍵詞：薄煤層；堅硬軟弱復(fù)合頂板；爆破預(yù)裂切縫；張拉破裂

中圖分類號：TD235 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）05-0179-02

隨著聚能爆破技術(shù)在礦山等地質(zhì)條件下應(yīng)用不斷成熟，國內(nèi)外學(xué)者在聚能爆破、爆破對支護體的影響以及爆破對巷道頂板損傷等方面做了很多研究，通過數(shù)值模擬、相似模擬、現(xiàn)場爆破試驗等手段，取得了豐富的研究成果。在地下礦山圍巖爆破切縫時，對于硬度分布均勻巖體，爆破時僅需在炮孔內(nèi)部均勻裝藥將巖體整體爆破預(yù)裂，但是鑒于小河嘴2018工作面上方巖體呈“下部軟弱，上部堅硬”的特點，在爆破切縫過程中除了考慮將上部堅硬老頂實現(xiàn)切縫外，還要在工作面巷道施加錨網(wǎng)索補強支護保證頂板下部較為軟弱破碎巖層完整。因此在該條件下爆破切縫參數(shù)和切縫規(guī)律的獲得是此類條件下切頂卸壓沿空成巷技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此具有十分重要的研究意義[1～3]。

1 切縫爆破參數(shù)設(shè)計方法

1.1 切縫爆破經(jīng)驗總結(jié)

首先裝藥由少到多，并繪制曲線，找出裝藥臨界值；其次與頂板的巖性聯(lián)系起來，密切關(guān)注頂板巖性的變化及時調(diào)整裝藥參數(shù)；切縫爆破與超前恒阻錨索支護結(jié)合，即先對頂板安裝錨索的等支護措施，保護頂板然后再進行切頂。對于巖層淺層存在弱層，應(yīng)采取減震防爆等措施：軸向不耦合裝藥，淺部巖層少裝藥，增加封泥長度等。

1.2 預(yù)裂爆破參數(shù)試驗操作規(guī)范及規(guī)程

爆破方案需要審批程序，更改后方案必須經(jīng)過審批才能決定是否繼續(xù)進行。爆破過程中情況必須及時匯報，避免出現(xiàn)同樣問題。

切縫爆破現(xiàn)場試驗必須嚴格按照步驟進行：第一次試驗按設(shè)計參數(shù)藥卷60%進行；逐步增加藥卷（4～5步）；直到臨界藥卷，求出臨界藥卷數(shù)；確定藥量與切線率關(guān)系，如圖1所示。

2 爆破切縫工程試驗

2.1 工程地質(zhì)條件

小河嘴煤礦2018工作面平均埋深535 m，工作面走向和傾向長分別為754 m和125 m。 2018工作面主采煤層為K22煤層，煤層平均厚度0.65 m，平均傾角25 °，設(shè)計采高0.8 m。直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.0 m，夾數(shù)層煤線，節(jié)理發(fā)育；老頂為堅硬的中粒砂巖，厚度35 m，大多為石英或長石組成。

針對小河嘴煤礦2018工作面沿空巷道支護現(xiàn)狀及提高采出率，提出了更為先進的聚能預(yù)裂爆破切頂卸壓無煤柱護巷技術(shù)，采用錨網(wǎng)索+恒阻大變形錨索支護巷道。

2.2 試驗方案設(shè)計

爆破預(yù)裂切縫技術(shù)核心是確定“堅硬+軟弱”頂板爆破預(yù)裂切縫方式；其次在爆破預(yù)裂切縫前采用恒阻大變形錨索超前加固支護，一方面能夠有效的保護巷道頂板，另一方面恒阻大變形錨索高預(yù)緊力利于爆破預(yù)裂切縫形成雙向張拉裂縫。在分析2018工作面工程地質(zhì)基礎(chǔ)上，為了獲得爆破預(yù)裂切縫最優(yōu)裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥參數(shù)，設(shè)計4種留巷爆破預(yù)裂切縫試驗參數(shù)，如下表所示，以達到切斷巷道老頂細砂巖與采空區(qū)目的，使得沿空成巷后巷道頂板有效卸壓、減小變形，保證巷道滿足下個工作面使用。

爆破預(yù)裂切縫前巷道加固支護參數(shù)及爆破預(yù)裂切縫所需其他參數(shù)如下。

2.2.1 切縫爆破參數(shù)

①在工作面運輸巷煤壁側(cè)距頂板1.5 m處沿巷道走向布置1排聚能爆破孔，炮孔間距0.6 m，炮孔深4 m，傾向采空區(qū)20 °。

②單孔裝2根聚能管，每根聚能管長1 m，每根聚能管按表1各方案裝藥方式裝藥，藥卷為三級乳化炸藥，規(guī)格為30 mm×200 mm。

③聚能管內(nèi)徑35 mm，外徑41～42 mm，管壁厚2.5 mm。

④單孔裝2根聚能管，每2根1 m聚能管間采用透明寬膠帶纏繞連接，采用黃泥封堵，單孔封堵長度大于1.5 m，正向起爆。

⑤單孔采用錨桿鉆機成孔，鉆頭使用直徑50 mm三翼巖石鉆頭。

⑥裝填聚能管時要求聚能方向要沿著切縫方向，鉆孔前要放線，點好鉆孔點位，鉆孔角度誤差5 °左右，采用自制調(diào)向桿，保證鉆孔布設(shè)和聚能方向成一條線。

2.2.2 錨索加強支護參數(shù)

①錨索長6.3 m，直徑15.24 mm，外露長度300 mm，錨固長不小于1.0 m。采用規(guī)格300 mm×300 mm×10 mm的蝶形托盤。

②靠近采空區(qū)側(cè)錨索排距1.6 m，巷道中央錨索排距2.4 m，靠近采空區(qū)側(cè)錨索距切頂線400 mm。

2.3 爆破預(yù)裂切縫效果

由經(jīng)現(xiàn)場試驗可知，當炮孔裝藥量、封泥長度相同時，爆破預(yù)裂切縫后炮孔內(nèi)裂縫長度隨著藥卷長度與空氣柱長度比值的增大而增大；炮孔內(nèi)藥卷長度與空氣柱長度比值的大小直接決定著爆破預(yù)裂切縫時炮孔圍巖成縫形式，當二者比值達到合理的區(qū)間時，巖層才會發(fā)生張拉破裂，否則巖層將發(fā)生壓裂破壞，不能達到滿意的切縫效果；炮孔內(nèi)藥卷長度與空氣柱長度比值和封泥位置所對應(yīng)的巖性決定著炮孔是否在爆破預(yù)裂切縫過程中出現(xiàn)塌孔以及成縫質(zhì)量的好壞；當藥卷長度與空氣柱長度比值較小，且封泥位置對應(yīng)的巖石硬度較小時，炮孔內(nèi)將在層理、結(jié)構(gòu)面等軟弱破碎處出現(xiàn)塌孔，影響切縫炮孔成縫質(zhì)量。方案1孔內(nèi)裂縫率為52%，方案2孔內(nèi)裂縫率為68%，方案3孔內(nèi)裂縫率為83%，方案4孔內(nèi)裂縫率為91%。

爆破預(yù)裂切縫后炮孔內(nèi)裂縫長度隨著藥卷長度與空氣柱長度比值關(guān)系曲線，如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，當單孔裝藥量為7個藥卷、封泥長度為2 m時，爆破預(yù)裂切縫后炮孔內(nèi)裂縫長度與藥卷長度和空氣柱長度的比值符合如式（1）的非線性關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)為0.9962。

根據(jù)上述爆破預(yù)裂切縫參數(shù)試驗結(jié)果及分析可知最優(yōu)爆破參數(shù)為炮孔間距0.6 m，炮孔深4 m，傾向采空區(qū)20 °。單孔裝2根聚能管，每根聚能管長1 m，每根聚能管裝藥3卷，封泥長度為2 m。

3 結(jié) 語

①在爆破預(yù)裂切縫試驗的過程中，對于上部堅硬、下部軟弱的特殊頂板巖層組合形式，核心是使“堅硬”巖層產(chǎn)生有效的符合標準的裂縫，軟弱巖層自行垮落，最終形成較好的成巷效果。

②爆破預(yù)裂切縫過程中，軟弱巖層容易吸收炸藥能量。當切縫藥包和封泥位置在砂質(zhì)泥巖或泥巖等硬度較小的巖層時，無論單位裝藥量多少都會引起塌孔，且成縫效果較差。封泥位置不能在強度較小的直接頂中，否則爆炸沖擊波將對孔口造成破壞，形成孔口爆坑，造成鄰近支護結(jié)構(gòu)失效。

③最優(yōu)爆破參數(shù)確定：炮孔間距0.6 m，炮孔深4 m，傾向采空區(qū)20 °。單孔裝2根聚能管，每根聚能管長1 m，每根聚能管裝藥3卷，封泥長度為2 m。

④通過爆破預(yù)裂切縫試驗，得到了裂縫長度與藥卷長度和空氣柱長度的比值的關(guān)系曲線及公式。當藥卷長度和空氣柱總長度為2 m時，裝藥量7卷、藥卷長度和空氣柱長度的比值為3.348，能夠產(chǎn)生5 m的裂縫，且效果較好。

參考文獻：

[1] 張國鋒，何滿潮，俞學(xué)平，等.白皎礦保護層沿空切頂成巷無煤柱開采技 術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2011，（4）.

[2] 劉小強，張國鋒.軟弱破碎圍巖切頂卸壓沿空留巷技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技 術(shù)，2013，（增）.

[3] 張國鋒.切頂卸壓沿空成巷機理及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國礦業(yè)大 學(xué)，2010.