淺談煤礦爆破沖擊波對頂板失穩機理及防治措施

李其振， 闞吉亮

（山東科技大學礦業與安全工程學院， 山東 青島 266510）

淺談煤礦爆破沖擊波對頂板失穩機理及防治措施

李其振， 闞吉亮

（山東科技大學礦業與安全工程學院， 山東 青島 266510）

頂板事故是我國煤礦生產中的常見事故災害，誘發頂板事故的原因比較復雜，井下爆破作業是導致頂板穩定性發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定性的失穩機理，并提出了不同的防治措施。

煤礦；爆破沖擊波；頂板穩定性；防治措施

0 引言

近年來，我國的煤炭事業取得了巨大的發展，在煤礦建設機械化的過程中，多種大型設備有利的支持了礦井安全建設，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，輕則導致頂板沉降、支架回縮、巷道壁片幫，重則就會發生冒頂、底鼓、支架受損、巷道破壞等現象，嚴重影響了煤礦企業正常的生產經營活動。井下爆破產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。本文主要介紹沖擊波對頂板作用下的頂板失穩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，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、巷道和器材設施破壞，同時容易使煤塵飛揚，導致煤塵爆炸，引發二次事故。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生的，其主要傳播途徑是正向沖擊波已經破壞的區域，因此造成的破壞效果更加嚴重。

2 沖擊波對頂板作用的失穩機理

爆破產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，迫使頂板的圍巖應力場迅速做出調整，如果能夠使應力場處于平衡狀態，頂板則處于基本穩定狀態，否則將誘發巖體內的彈性應變能突然釋放導致頂板將失穩破壞。

煤礦巷道爆破施工中，一般認為，爆破產生的沖擊波對頂板破壞是一種漸進的發展過程，在爆破沖擊波的作用下頂板一般表現為出現裂縫、裂縫發育、繼續開裂以及頂板被破壞導致坍塌。巷道頂板巖層在沖擊波的作用下產生裂縫，裂縫，在重復拉剪作用下有局部巖體發生破碎，脫離巖層表面。同時沖擊波向巷道四周傳播，巷道產生向下位移，當沖擊能較小時，巷道頂板和四周圍巖發生變形，表現為由頂板向兩幫逐漸擴展。沖擊應力波在巷道傳播傳播時，通過不斷沖擊、重復作用作用于頂板，造成巖體破壞，同時沖擊波破壞作用下的頂板上部巖層發生轉移，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裂縫，并不斷發育，頂板垮落后，上部巖層在自身重力作用下而整體發生塌落［2］。

3 防治措施

防止沖擊做作用下導致頂板失穩的方法主要有按照操作規程裝藥爆破、及時充填采空區、構造排泄通道及時疏導沖擊波。

3.1 按照操作規程裝藥爆破

為降低沖擊波的強度，應控制單次最大起爆炸藥量，采用延時起爆技術，將爆區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，將產生爆炸沖擊波的無效能量減至最低限度［3］。改進裝藥結構，確保填塞質量，嚴禁無填塞裝藥。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

及時充填采空區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，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，礦井中小規模頂板冒落事件不斷，而填充采空區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 構造排泄通道及時疏導沖擊波

通過人為的構筑疏導、排泄通道，對爆破產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人員、井下設備及構筑物的損壞程度。一般的疏導構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［5］。

4 結論

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

［1］劉暢，覃敏，彭云.大面積頂板失穩誘發空氣沖擊波災害時程特性研究［J］.中國安全生產科學技術，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］.科技致富向導，2012（26）∶284+314.

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

［5］何仙平.談談礦井頂板事故的原因及安全管理［J］.科技致富向導，2011（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。