特厚煤層綜放面端頭頂煤冒放性差治理分析與研究

梁洪彪

（山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁033602）

1 工程背景

23107工作面位于二一采區，上部為8號煤層18103、18105、18117采空區，上部東側為18101采空區和原斜溝煤礦8號煤采空區。工作面傾向長247.8 m，走向長度為3 419 m，采用單一走向長壁低位放頂煤采煤方法，工作面采高為3.8 m，放煤高度11.0 m，采用一采一放回采工藝，正規循環進度為0.8 m，采空區采用全部垮落法管理頂板。由于工作面端頭存在應力集中、頂煤較難破碎、影響頂煤冒放等問題，對工作面的安全生產造成了一定的影響。

2 預裂爆破技術方案設計分析

2.1 粉碎圈與裂隙圈半徑的計算

（1）柱狀炸藥產生的爆破載荷。

耦合裝藥條件下，炸藥在巖石內起爆后，粉碎圈和裂縫圈產生在炮孔周圍，且柱狀炸藥對孔壁（1施）加沖擊載荷。依據動力波原理：

式中，p為爆破產生的沖擊波（初始應力MPa），p0表示炸藥產生的爆轟壓MPa，ρ表示巖石密度（kg/m3），ρ0表示炸藥的密度（kg/m3），cp表示炸藥在巖石中產生的波速（m/s），D為炸藥在巖石中產生的爆速（m/s），γ為爆轟產物的膨脹絕熱指數，γ取3。

徑向應力和切向應力表示為：

上述公式中，σθ為巖石中的切向應力MPa，σr為巖石中的徑向應力MPa，r表示為比距離，rˉ=表示裝藥中心與計算點之間的距離，rb表示炮孔半徑，α表示載荷傳播衰減指數，α=2±表示巖石的動泊松比，b表示側向應力系數

按照平面問題計算，z軸方向受力為：

（2）爆炸載荷作用下巖石的破壞。

由于巖石為脆性材料，巖石在爆破過程中呈三向受力狀態。粉碎區是由巖石壓縮產生的，爆破產生的拉應力產生裂隙區，巖石的應力強度（任意一點）表示為：

依據Mises準則，巖石發生破壞的前提條件是，σi滿足：

σ0表示巖石的破壞強度MPa（單軸受力條件下），表示巖石單軸抗壓強度（動態），σcd表示巖石單軸抗拉強度（動態）。

炸藥采用柱狀耦合方式，爆炸在巖石中產生形成粉碎圈，依據公式（1）～（9），粉碎圈半徑計算公式為：

裂隙圈位于粉碎圈之外，依據公式（7）、（9）公式得：

上述公式中，σR表示為徑向應力，衰減指數為：

依據公式（7）、（8）、（9）及（15）可得巖石中裂隙圈半徑：

依據公式（1-10）、（1-16）得出，采用耦合條件下裝藥的裂隙圈半徑計算公式為：

爆破使用礦用乳化炸藥，炸藥密度取1 120 kg/m3，爆速D為3 600 m/s，由此得出頂煤在爆破形成的粉碎圈和裂隙圈半徑分別為0.3 m和1.2 m。

2.2 數值模型建立與分析

基于LS-DYNA軟件論證分析不同起爆方式、不同間距爆破效果，以確定最優爆破參數指導工程實踐。如圖1所示，分別對500、1 000和1 200 mm三種間距爆破進行模擬。通過分析爆轟波裂隙延展性比較爆破參數爆破效果，在間距一定情況下，間隔起爆后爆轟波衰減速度較快無法達到一次性連續爆破實現最大化爆破的效果；連續起爆模擬下，500 mm、1 000 mm間距均能實現炮孔間裂隙導通，在工作面回采采動影響下頂煤會沿裂隙破碎，1 200 mm間距無明顯裂隙導通，不能實現設計效果，因此，選擇連續爆破間距1 000 mm較為合理。

圖1 不同間距爆破裂隙效果Fig.1 Effect of blasting crack with different spacing

2.3 爆破方案

根據粉碎圈和裂隙圈半徑的計算結果，工作面端頭炮眼成五花型布置，炮眼配置導爆聚能管，炮眼間距為1 000 mm×1 000 mm，眼深為12 m，藥卷個數為17，填裝6 m水炮泥，封泥長度為5 m，炮眼結構示意、炮眼布置圖如圖2、圖3所示。

圖3 炮眼布置示意Fig.3 Hole arrangement

3 工況效果分析

為驗證23107材料巷切頂卸壓深孔爆破效果，采用鉆孔窺視的方法對預留孔進行了窺視工作，鉆孔窺視圖如圖4所示。

由圖4可知，采用切頂卸壓深孔爆破后，鉆孔孔壁內沿弱結構面形成較為明顯的破碎帶，兩爆破孔影響半徑均大于1 000 mm，相鄰炮孔之間的裂隙導通，形成了導通裂隙，切頂卸壓效果較為理想。由圖5可知，采用切頂卸壓深孔爆破加劇了頂板破斷程度，周期來壓步距降為7.4～11 m，工作面端頭范圍內的頂板懸頂面積得到有效治理，如圖5所示。

圖5 端頭架覆巖老頂來壓步距Fig.5 Pressure step of the top of the overlying rock

4 結 論

（1）通過計算得出了該工作面煤層中形成的粉碎圈和裂隙圈半徑分別為0.3 m和1.2 m。

（2）通過理論分析、數值模擬、工程試驗確定了爆破參數，通過鉆孔窺視分析驗證使用效果較為理想。

（3）采用切頂卸壓深孔爆破加劇了頂板破斷程度，周期來壓步距降為7.4～11 m，工作面端頭范圍內的頂板懸頂面積得到有效治理。