斜溝礦深孔預裂爆破切頂卸壓機理的研究

趙凱明

（山西西山晉興能源有限責任公司， 山西 呂梁 033600）

引言

隨著工業化的不斷進步，安全高效開采成為了礦山開采的主要目標。但由于部分煤層存儲較為復雜，堅硬頂板難垮難落的問題成為了礦山開采的主要問題。難垮難落的頂板會造成大面積的懸頂并對礦山的安全造成較大的危害。此前眾多學者對堅硬頂板難垮難落問題進行了一定的研究。趙晉軍、崔峰[1-2]通過現場試驗對堅硬頂板進行切頂卸壓，并對切頂卸壓后的巷道變形量進行了一定的監測，對比了卸壓前后的巷道的變形量，驗證了切頂卸壓的可行性。鄭上上、張建超[3-4]對堅硬頂板的破裂規律和上覆巖層運動規律進行了一定的研究，利用數值模擬的方法對巖層變化情況進行研究，并給出了現場實測的來壓步距監測數據，驗證了模擬的準確性。本文以斜溝礦為研究背景，對斜溝礦23111工作面進行切頂卸壓研究，有效地解決了工作面應力過大的問題，為類似的試驗提供參考。

1 爆破卸壓巖石損傷分析

23111工作面的巷道高度為3.8m，寬度為5.5 m，工作面煤層平均厚度為15.8 m。工作面的支護方式選用錨桿、錨索、金屬網和鋼帶的聯合支護形式。巷道的直接頂由厚度為2.66 m的砂質泥巖組成，砂質泥巖呈現出灰黑色，普氏硬度為3～4，老頂由細粒砂巖和石英組成，巖層存在一定的垂直裂縫，厚度為5.45 m，巖層的普氏硬度達到6～7，共同組成了巷道的上覆巖層。

在23111工作面回采過程中，對23109工作面的材料巷的回采擾動較大，造成23109工作面的材料巷二次維護壓力和回采期間壓力較大等，所以對23111工作面的皮帶巷進行深孔爆破切頂卸壓。在每個深孔內放置2發雷管，對孔內外的雷管進行串聯，對深孔爆破進行預先的施工。

23111工作面的皮帶巷在進行炮眼從推進的位置開始進行施工，同時爆破的炮眼從機頭的端頭支架第二根的立柱位置進行施工，炮眼距離保護煤柱約400 mm處的位置布置一排眼，炮眼的間距設置為800 mm，設置的炮眼深度為17 m，炮眼進行垂直方向的施工布置。當工作面隨著施工推進至炮眼和正巷超前支護支架第一根達到平行時，對炮孔進行裝藥爆破，在所有的炮眼提前裝入一根含有炮藥的PVC塑料管。炮眼的起爆設置為，每次引爆2～4個炮眼，并遵循一次連線一次起爆，向外進行依次爆破，保證工作面的每天循環進尺量。深孔爆破的爆破工藝流程如下：工作面打眼→檢查瓦斯→裝藥→連線→檢查瓦斯→爆破→檢查瓦斯。

深孔爆破過程中，炸藥在巖石內部的爆炸是一個較為復雜的過程，隨著炸藥的爆破產生的沖擊波和氣體將巖石進行破壞，將爆破后的巖石進行分區，分區如圖1所示。

圖1 爆破卸壓后巖層損傷示意圖

圖1中：r0為炮孔的半徑；Rc為巖石粉碎區的半徑；Rp為巖石破裂區的半徑；Rz為巖石的震動區半徑。

爆破粉碎區一般來說范圍較小，但在此范圍內的能量迸發是巨大的，在沖擊波的作用下，巖石內部發生的沖擊壓縮力遠超巖石的抗壓強度，此時的巖石發生壓碎式的破壞，破壞后的巖石多呈現出顆粒狀甚至粉末狀。在巖石的破碎區沖擊壓力遠超巖石的抗壓強度，由于爆破的氣體和高溫共同作用，巖石發生抗壓破壞，隨著巖石破壞對能量的消耗，爆破的能量得到了一定的削減。

巖石裂隙區受到的沖擊壓力低于壓碎區的沖擊壓力，在此區域內的沖擊壓力不足以將巖石進行壓碎，但在此區域內的環向拉力明顯高于巖石的抗拉強度，所以在此區域內發生徑向裂縫，在沖擊壓裂的作用下，裂縫發生一定的擴展。

震動區是爆破能量削減較為嚴重，不足以破壞或者壓裂巖石，此時的沖擊波減弱為震動波，在此作用下巖石發生一定的震動，能量隨著巖石的震動發生一定的擴散。

2 爆破卸壓工程實踐

為了監測爆破卸壓的效果，本文在23111工作面安裝支承力監測系統，用于測量和記錄工作面的超前支承力，首先在煤壁中打入PZY-60型壓力傳感器，是壓力傳感器與煤壁充分貼合，并在傳感器一段安裝壓力表，用于記錄工作面的超前支承力的變化。在23111工作面共布置4個測站。測站的布置圖如圖2所示。

圖2 測站布置示意圖

每個測站的測點深度都為5 m、10 m、15 m，孔半徑都為42 mm，距離底板的垂直距離均為1.5 m。結合斜溝礦23111工作面的具體情況，工作面的日進尺為4.5 m，四個測點中，選擇代表性較強的1號測點和4號測點，計算出其壓力隨時間變化圖，如圖3所示。

從圖3可以看出，2個測站的曲線大致趨勢是一致的，都呈現出隨著測試天數的增加而壓力上升的趨勢，且開始時壓力表的示數會有一定的波動，后壓力表的示數慢慢趨于穩定。由于測站的曲線類似，本文只選取測站1的曲線進行分析。當工作面推進3 d時，此時的壓力表示數會有一定的增大，此時的壓力傳感器與孔壁完全接觸，此時的工作面距離測站的距離為118 m，隨著工作天數的不斷推進，壓力表的示數開始有了加大的波動，鉆孔的變形開始增大，直到工作面推進16 d后，增加的趨勢開始慢慢變緩，此時的鉆孔變形基本穩定。當工作面推進25 d后，此時的壓力表的數值開始線性增長，此時的測站位于了工作面超前支承力峰值附近，鉆孔的變形進一步增大，此時測站距離工作面17 m。壓力的變化天數為25 d，所以按照日進尺可計算出支承應力的作用范圍一般為120 m。

而相應的對于經過切頂卸壓后的測站4，當測試天數達到10 d時，壓力表的示數開始發生變化，此時壓力傳感器與孔壁完全接觸，此時的測站距離工作面80 m。當測試天數達到21 d時，此時的壓力開始有了大幅度的變化，此時測站4處于支承力的峰值區。所以可以看出，經過切頂卸壓后的支承力影響范圍約為80 m，較未經切頂卸壓的支承力影響范圍有了大幅度降低，驗證了切頂卸壓的可行性。

圖3 卸壓前后的支承力變化曲線

3 結論

1）分析了巖體在爆破時的沖擊波破壞形式，將爆破厚巖石的破壞進行分區，分別為粉碎區、裂隙區和震動區。

2）對比爆破卸壓前后的支承力范圍，發現爆破卸壓前的超前支承力的影響范圍約為120 m，而爆破卸壓后的超前支承力的影響范圍約為80 m，有效地提升了巷道的穩定性。