淺談煤礦爆破沖擊波對頂板失穩(wěn)機理及防治措施

李其振， 闞吉亮

（山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院， 山東 青島 266510）

淺談煤礦爆破沖擊波對頂板失穩(wěn)機理及防治措施

李其振， 闞吉亮

（山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院， 山東 青島 266510）

頂板事故是我國煤礦生產(chǎn)中的常見事故災(zāi)害，誘發(fā)頂板事故的原因比較復(fù)雜，井下爆破作業(yè)是導(dǎo)致頂板穩(wěn)定性發(fā)生變化的重要原因之一。本文通過闡述沖擊波的特點，分析沖擊波作用下的頂板穩(wěn)定性的失穩(wěn)機理，并提出了不同的防治措施。

煤礦；爆破沖擊波；頂板穩(wěn)定性；防治措施

0 引言

近年來，我國的煤炭事業(yè)取得了巨大的發(fā)展，在煤礦建設(shè)機械化的過程中，多種大型設(shè)備有利的支持了礦井安全建設(shè)，各類煤礦事故率顯著降低。但是隨著礦井開采深度的增大，礦壓劇增，頂板問題突出，煤礦頂板事故層出不窮，輕則導(dǎo)致頂板沉降、支架回縮、巷道壁片幫，重則就會發(fā)生冒頂、底鼓、支架受損、巷道破壞等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了煤礦企業(yè)正常的生產(chǎn)經(jīng)營活動。井下爆破產(chǎn)生的沖擊波是造成頂板事故重要的原因，爆破沖擊波在巷道中衰減時間長，對頂板沖擊強度大，能夠擴大頂板裂隙，降低圍巖強度，增加頂板事故的危險系數(shù)。本文主要介紹沖擊波對頂板作用下的頂板失穩(wěn)破壞機理并提出防治措施。

1 沖擊波簡介

沖擊波主要分為正向沖擊波、反向沖擊波。炸藥發(fā)生爆炸后，在高溫、高壓氣體的作用下，炸藥附近的空氣以極大的速度向四周擴散，從而在所經(jīng)過的路程上形成威力巨大的沖擊波，稱為正向沖擊波。反向沖擊波是由于爆炸發(fā)生后，由于爆炸氣體從爆源點高速向外沖擊，加上爆炸后生成的部分水蒸氣很快冷卻和凝聚，因而在爆源附近就形成了氣體稀薄的低壓區(qū)，在巨大的壓差的作用下，爆源周圍的氣體以極高的速度反向沖回爆源處，如此便形成反向沖擊波［1］。正向沖擊波的沖擊氣流是高溫、高壓氣體，在高溫高壓氣體的左右下造成人員傷亡、巷道和器材設(shè)施破壞，同時容易使煤塵飛揚，導(dǎo)致煤塵爆炸，引發(fā)二次事故。反向沖擊波的能量與正向沖擊波的能量相比較小，但反向沖擊波是在正向沖擊波的疊加作用下產(chǎn)生的，其主要傳播途徑是正向沖擊波已經(jīng)破壞的區(qū)域，因此造成的破壞效果更加嚴(yán)重。

2 沖擊波對頂板作用的失穩(wěn)機理

爆破產(chǎn)生的沖擊波在宏觀上是一種高壓、高速、高密度運動的壓縮波，在運動過程中會對頂板壁造成強烈的沖擊破壞效應(yīng)，迫使頂板的圍巖應(yīng)力場迅速做出調(diào)整，如果能夠使應(yīng)力場處于平衡狀態(tài)，頂板則處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，否則將誘發(fā)巖體內(nèi)的彈性應(yīng)變能突然釋放導(dǎo)致頂板將失穩(wěn)破壞。

煤礦巷道爆破施工中，一般認為，爆破產(chǎn)生的沖擊波對頂板破壞是一種漸進的發(fā)展過程，在爆破沖擊波的作用下頂板一般表現(xiàn)為出現(xiàn)裂縫、裂縫發(fā)育、繼續(xù)開裂以及頂板被破壞導(dǎo)致坍塌。巷道頂板巖層在沖擊波的作用下產(chǎn)生裂縫，裂縫，在重復(fù)拉剪作用下有局部巖體發(fā)生破碎，脫離巖層表面。同時沖擊波向巷道四周傳播，巷道產(chǎn)生向下位移，當(dāng)沖擊能較小時，巷道頂板和四周圍巖發(fā)生變形，表現(xiàn)為由頂板向兩幫逐漸擴展。沖擊應(yīng)力波在巷道傳播傳播時，通過不斷沖擊、重復(fù)作用作用于頂板，造成巖體破壞，同時沖擊波破壞作用下的頂板上部巖層發(fā)生轉(zhuǎn)移，主要原因在于，在高速、高壓沖擊波作用下頂板上部的巖層出現(xiàn)裂縫，并不斷發(fā)育，頂板垮落后，上部巖層在自身重力作用下而整體發(fā)生塌落［2］。

3 防治措施

防止沖擊做作用下導(dǎo)致頂板失穩(wěn)的方法主要有按照操作規(guī)程裝藥爆破、及時充填采空區(qū)、構(gòu)造排泄通道及時疏導(dǎo)沖擊波。

3.1 按照操作規(guī)程裝藥爆破

為降低沖擊波的強度，應(yīng)控制單次最大起爆炸藥量，采用延時起爆技術(shù)，將爆區(qū)總藥量均勻分布到各個需要爆破的部位，使爆炸能量最大限度地得到有效利用，將產(chǎn)生爆炸沖擊波的無效能量減至最低限度［3］。改進裝藥結(jié)構(gòu)，確保填塞質(zhì)量，嚴(yán)禁無填塞裝藥。盡量避免在清晨、傍晚等有利于爆破沖擊波傳播的條件下實施爆破。

3.2 及時充填采空區(qū)

及時充填采空區(qū)能夠最大限度降低圍巖移動和變形的空間，有效控制地壓活動。對于采空區(qū)，及時充填是解決爆破沖擊波問題的最直接、最有效的措施。隨著礦井開采深度的增加，地壓日益增大，礦井中小規(guī)模頂板冒落事件不斷，而填充采空區(qū)是控制頂板冒落得最有效的途徑，同時也能夠有效控制地表沉陷，保護地面建筑物的安全［4］。

3.3 構(gòu)造排泄通道及時疏導(dǎo)沖擊波

通過人為的構(gòu)筑疏導(dǎo)、排泄通道，對爆破產(chǎn)生的空氣沖擊波合理分流，最大限度地降低沖擊波壓力強度，減小沖擊波對周圍作業(yè)人員、井下設(shè)備及構(gòu)筑物的損壞程度。一般的疏導(dǎo)構(gòu)筑物的常見做法是開鑿天窗，使沖擊波傳播通道與地表相貫通，形成高壓氣流的排泄通道，最快限度的降低沖擊波壓力，減少對頂板的作用時間，有效防止頂板失穩(wěn)［5］。

4 結(jié)論

頂板失穩(wěn)事故對煤礦的安全影響巨大，井下爆破產(chǎn)生的沖擊波對頂板失穩(wěn)有重要影響，本文通過介紹沖擊波的自身特點、沖擊波對頂板失穩(wěn)的作用機理以及針對沖擊波對頂板作用的特點，提出相應(yīng)的防治措施，對于預(yù)防爆破沖擊波作用下的頂板事故具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］劉暢，覃敏，彭云.大面積頂板失穩(wěn)誘發(fā)空氣沖擊波災(zāi)害時程特性研究［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014（05）∶49-55.

［2］王劍.控制和防護爆破沖擊波的方法探討［J］.科技促進發(fā)展，2010（S1）∶2.

［3］于根旺.對巷道頂板事故防治的思考［J］.科技致富向?qū)В?012（26）∶284+314.

［4］劉文崗.淺埋大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)特征及頂板災(zāi)害機理分析［J］.煤礦開采，2011（05）∶73-75+80.

［5］何仙平.談?wù)劦V井頂板事故的原因及安全管理［J］.科技致富向?qū)В?011（06）∶277+289.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.19.037

李其振（1992-），男，安徽宿州人，本科生。