張 超

（潞安環能股份公司常村煤礦，山西 長治046102）

煤炭是我國的主要經濟能源，因此，高效的采煤一直是最提倡的方法，而在采煤過程中，煤礦堅硬頂板一直是工作面推進以及設備運行的阻礙，針對這一問題，陳勇、郝勝鵬、陳延濤等在理論知識的支持上，利用LS-DYNA數值模擬軟件對進行了詳細的分析研究，同時對爆破參數進行了選擇，結果表明，切頂卸壓技是處理厚層堅硬頂板問題的有效途徑[1]；劉小強、張國鋒在小河嘴礦工作面運輸巷進行了切頂卸壓技術，成功地降低了巷道礦壓帶來的影響，為巷道的維護、通風以及支護都提供了便利[2]；周登輝、伍水平采用理論和現場結合的方法，以沿空留巷為研究對象，通過建立數學模型發現基本頂的斷裂位置不同對于巷道的支護有明顯得影響，通過計算分析成功地解決了因斷裂位置不同對沿空留巷的影響[3]。蒲文龍、張國華、畢業武詳細地分析了支承壓力的分布對于大采高下煤層圍巖控制的影響，已經建立的數學模型在實際的工程中運行，取得了良好的結果[4]。

在超前支承壓力理論的支持下，本文對切頂卸壓爆破理論進行了研究，同時將理論知識運用在實際工程中。理論和實踐證明，合理的炮孔布置進行切頂卸壓技術的實施可以改善巷道的變形量，對于工作面的推進以及設備的維護都提供了便利的條件。

1 切頂卸壓護巷理論研究

切頂卸壓技術是煤礦針對堅硬頂板通過爆破等人工干預的方法破碎堅硬頂板從而釋放因頂板壓力過大造成的巷道變形等問題的技術。國內許多煤礦在采煤過程中都會遇到堅硬頂板的問題，堅硬頂板因為硬度大，埋深厚，在自身質量應力以及上覆巖層的作用下，對煤壁以及巷道都會施加很大的作用力，如果支護強度及剛度不夠，巷道將會發生很大的變形。目前，單靠液壓支架支撐堅硬頂板巷道很難達到預期效果，因此，切頂卸壓技術的實施就顯得非常必要了。在切頂卸壓技術的實施中，爆破是必不可少的步驟。

目前，礦上大多采用炸藥進行堅硬頂板的處理，在堅硬頂板布置好炮孔后，通過導火索引爆炮孔內的炸藥，炸藥在爆炸瞬間，在極小空間的壓縮下，壓力瞬間升高至5～8萬倍的大氣壓力，溫度最高可以達到3 000℃。在高強度的應力以及超高溫度的共同作用下，靠近炮孔的堅硬巖石由固態瞬間變為破碎狀態以及液體狀態，從而在炮孔周圍形成一定區域的擴腔區。因為炸藥爆炸形成的巨大沖擊波會在巖層的阻礙作用下會出現逐漸衰減的趨勢，在擴腔區外側因為沖擊波的作用出現破碎區，此區域內的巖石呈現一種破碎的狀態，擴腔區的巖石吸收了大量的能量，因此沖擊波會出現急速衰減的趨勢，所以擴腔區外的巖石會出現破碎狀態。在破碎區外側，應力沖擊波繼續擴散，在沖擊波的作用下產生了大面積的徑向裂縫，徑向裂縫擴展發育的速度非常快。在裂縫產生后，炸藥爆炸產生的巨大作用力仍然會擴散，形成頂端尖銳的擴張裂隙，成為裂隙區域，裂隙區域遠大于壓碎區。

煤巖在炸藥爆炸的整個過程中，其破壞形式有很多，在擴腔區和壓碎區內的煤巖受到的力遠大于本身的最大抗壓強度、抗拉強度。在裂隙區域，其受到剪切破壞、拉應力等復雜的破壞形式。炸藥爆炸后的彈性勢能會進行迅速的擴張，而隨著能量路徑的擴散，其會隨著中心區域徑向的擴散，從而出現徑向裂隙，這些裂縫會不斷擴張發育，偶爾會出現橫向的裂紋，橫縱裂紋也會出現貫通現象。在徑向方向會產生較大的拉應力，應力與徑向面會形成45°的夾角，因為爆炸產生的拉應力數值遠遠大于巖石本身的抗拉應力，巖石會出現剪切破壞，破壞簡圖如圖1所示。

在實際工程中，因為炮眼的大量布置，炸藥在引爆之后會出現巨大的沖擊波，炮孔之間的裂隙也會相互貫通，巖石的破壞程度將會得到更好的發育，對于堅硬頂板的處理有很好的效果。

圖1 炸藥爆破后炮孔區域分布圖

2 切頂卸壓方法的實施

在對爆破后巖石破壞準則的研究基礎上，對切頂卸壓技術在實際施工中的炮孔布置進行深入的研究，研究以東曲礦為背景，保炮孔布置的平面示意圖與剖面示意圖如圖2、圖3所示。炮孔打在工作面上方的巷道內，炮眼長度為21.6 m，共布置11個炮孔，炮孔間距為6 m，采用平行布孔方式布置，具體參數如表1所示。

圖2 切頂卸壓技術炮孔布置平面示意圖

圖3 切頂卸壓技術炮孔 布置剖面示意圖

表1炮孔布置的具體參數

在對炮孔方案的設計基礎上，具體的實施步驟如下：

1）按照以上的方案，施工人員需要在工作面設備都停止運行的情況下進行鉆孔施工，檢查安全后，才可以裝藥。

2）在裝藥的過程中需要對巷道以及炮孔周圍進行瓦斯監測，瓦斯的存在會提前引爆炸藥，將會對工作人員以及工作面產生破壞傷害，尤其是高瓦斯礦井，必須進行瓦斯監測，必要情況下還需進行通風等措施降低瓦斯含量。

3）確保瓦斯不超標的情況下，施工人員應該在搭建好的工作臺進行人工干預頂板處理，因為在鉆孔過程中，堅硬頂板會出現松散的容易掉落的巖層，施工人員應該進行人工干預以免巖層在后期爆破中出現飛濺現象對人員造成傷害。

4）裝藥過程中應該分組同時裝藥，一般單個炮孔同時裝藥，裝藥完成后依次進行封孔操作。

5）本次封孔長度為8.4 m，在封孔的過程中應該確保導火索的完整性，避免發生斷裂以及相互纏繞現象。

6）所有準備工作就緒后，進行引爆工作，因為炮孔整體是串聯的方式連接，局部炮孔又是以并聯的方式連接，每次引爆三個炮孔，進行分組引爆，保證安全的情況下，最大化的實現堅硬頂板的破碎目的。

在爆破處理后，經過觀測以及數據采集分析我們得到了以下數據結果，由圖4可以看出，爆破處理后，巷道兩幫以及頂板的變形量都會隨著距離工作面的增加而減小，成功了減緩了超前支承壓力造成的應力集中問題。巷道的變形量在距離工作面最近的區域依舊變形最大，但是隨著力工作面距離的增加，巷道變形量迅速降低，距離工作面90 m后，巷道的變形量基本為0。可以看出，切頂卸壓技術確實能夠起到卸壓的效果，堅硬頂板在破碎垮落后，因為上覆巖層的完整性遭到破壞，給工作面以及液壓支架的阻力也會降低，由此可知，此方法可以在煤礦處理堅硬頂板的問題上大型推廣運用。

圖4 爆破處理后的巷道變形量

3 結論

通過對切頂卸壓技術實施過程中爆破原理的分析，我們在工作面進行了科學實驗，實驗得到以下結論：

1）切頂卸壓技術在進行爆破的過程中，爆破會產生擴腔區、破碎區以及裂隙區，區域內的巖石在勢能以及熱能的綜合作用下達到破壞狀態，強度因此下降。

2）進行爆破過程中，炮孔的布置以及深度應該合理安排，炮孔應實行局部并聯，整體串聯的方式進行連線，進行分組引爆進行切頂處理。

3）在對工作面實施切頂卸壓技術處理后發現，處理后的巷道的變形量明顯得到改善，巷道兩幫以及頂板的位移量都出現大幅度降低趨勢，成功的解決了堅硬頂板為巷道穩定性帶來的難題。