基于工作面頂板預裂爆破施工分析

陳 明

(山西長治三元晉永泰煤業有限公司，山西 長治 047100)

1 頂底板結構概況

頂底板結構為：

回采面頂板巖性依次為14#煤、泥巖和石灰巖;偽頂為黑色泥巖，厚度平均0.6 m;直接頂為14#煤，灰黑色，厚度為1 m;老頂巖體結構成分為灰色灰巖和燧石結核灰巖，巖體平均厚度7.8 m;直接底呈現為灰色到灰黑色的泥巖，厚度約為7 m，共有3層～4層煤線，上部為塊狀泥巖，下部為薄層狀泥巖;基本底呈現灰色漸變為灰白色的中粒砂巖，上部為薄層狀細砂巖，厚度約為13.6 m。

2 注水弱化堅硬頂板

頂板直接注水的目的是將工作面上方頂板中易溶于水的成分溶于水，有利于降低頂板的強度。由于巖體在形成過程中存在不同程度的節理、裂隙，在高壓水的注入下，由于水的特性可以充分滲透到巖體中大部分的結構弱面，從而達到降低巖體強度，改變巖石力學特性的目的。在施工前期，施工的凹槽和深孔對頂板局部巖石也造成了破壞，也為注水降低回采面頂板強度提供了有力條件。它穿透整個表面，并在巖石中造成水力、機械、物理和化學作用。在高壓下改變注水壓力會導致巖石中應力的重新分布并導致塑化。該方法成為波蘭和澳大利亞加工硬質頂板的主要方法，但目前在中國仍處于試驗階段。頂板靜壓注入增加了頂板中的水分含量，減小了工作面的放頂步距從而減輕了工作面在回采過程中的煤壁的眼里，使用此方法必須是巖石富含易溶于水的物質。為了使頂板在初次坍塌期間均勻地被水浸濕，該測試將單側孔替換為雙側孔，并通過30 m～70 m的長短孔組合試驗了良好的結果[1-2]。

3 爆破弱化堅硬頂板方法

通過頂板爆破使一定厚度的頂板掉落，形成碎屑枕。可以減小切斷頂板頂板的下垂面積并減弱頂板掉落時產生的沖擊力。當前，有幾種強制爆破頂板的方法：

1)循環式淺孔爆破。淺孔圓形頂板爆破主要是在炸毀后破壞頂板的完整性，降低形成的沖擊并減少頂板下陷影響。具體方法是每1個到2個循環在上端切線中設置一定深度的淺孔，然后將其加載進行處理。但是，這種方法很容易引爆采空區中的瓦斯。在2017年1月發布的新版本的《礦山安全條例》中，嚴格禁止在完全機械化的擋土墻上使用該方法爆破[3]。

2)在工藝軌道上進行深孔預裂爆破處理[4]。在頂板或煤頂上挖出一條或多條工藝路徑，在頂板中鉆出深孔，并在工作壁前一定距離爆破，以預先破壞頂板的完整性。在爆破面頂部開挖工藝軌道的成本太高，通常不使用這種削弱方法，該方法通常用于完全機械化的洞穴開采中。

3)兩巷超前深孔預裂爆破。在頂板上鉆排氣和運輸溝槽深孔以通過爆破來削弱頂板。該方法的優點是產生的影響小，工作面可以正常生產且相對安全。在我國，爆破孔通常分為淺孔、中孔和深孔。用連桿鑿巖機鉆的深度為5 mm～15 mm的爆破孔稱為中深度孔，深15 m以上的孔稱為深孔。實際上，隨著鑿巖設備和工具的發展，它們之間的界限有時并不明確，為簡單起見，將爆破孔深度大于5 m的統稱為深孔作業。

4 爆炸載荷分析

裝藥的性質為不耦合裝藥，在此條件爆破后，爆炸波向周圍煤巖體傳導過程類似于聲波在巖體介質傳播的原理，如式(1)、式(2)。

P=0.5P0K-2ηlcn

(1)

(2)

式中：P為傳入煤巖體的初壓力，MPa；P0為炸藥爆炸產生的壓力，MPa；K為裝藥徑向不耦合系數，K=db/dc；db，dc為炮孔半徑和藥包半徑,mm；ρ0為炸藥的密度，kg/m3；Dv為炸藥爆速，m/s；lc為裝藥軸向系數，取值1；n為炸藥爆炸產物膨脹碰撞炮孔壁時的壓力增大系數，一般取n=10；η為爆轟產物的膨脹絕熱指數，一般取3。

煤巖體向外傳播的爆炸波不斷向外傳導并不斷減小，衰變成為應力波。在爆破影響的范圍任意一點引起的徑向應力和切向應力可用式(3)、式(4)。

(3)

σθ=-bσr

(4)

煤巖體的泊松比與應變相關，隨應變率的提高而減小，計算見式(5)。

μd=0.8μ

(5)

式中：μ為煤巖體的靜態泊松比。

5 炸藥和雷管種類

爆破所用炸藥采用乳化炸藥，規格為Φ60 mm×500 mm，1.5(±0.1)kg/卷；所使用的雷管是煤礦許可的8號普通瞬時功率雷管，用棉線和塑料編織線作為包裝材料，并由塑料制成防潮層，規格為Φ6.5(±0.3)mm，爆速大于500 m/s。

6 鉆孔間距的確定

確定的鉆孔的距離必須能夠穿透裂縫而不會造成不適當的結構損壞。爆破作業的質量主要取決于爆破孔的間距。由于不同的條件和不同的考慮，有更多的經驗計算公式，例如根據孔的直徑和不耦合系數kv確定孔的間距。通過馬鞍山礦山研究所的實踐總結了爆破孔間距的確定。計算如式(6)。

a=19.4d(kv-1)-0.52

(6)

7 裝藥結構和封孔方式

裝藥結構和相應的參數是控制爆破作業效果的最重要、最基本的問題之一。合理的裝藥結構和裝藥參數可以確保整個裝藥穩定起爆、完全起爆并產生預期的爆破力，合理的裝料過程還可以提高爆破效果。爆炸波會壓實前端未爆炸的裝藥并組織其爆炸，通過在礦井中使用安全爆炸指示器并減短連續裝料，可以避免這種現象發生。合理的密封材料和方法是確保爆破效果重要因素。根據豐富的經驗，在頂煤深孔預裂爆破之前，用濕黃土堵塞深孔中的爆破孔更為謹慎和方便。為了提高安全起爆的可靠性，可使用雙爆彈繩和雙雷管進行起爆。

8 結語

本文主要對工作面頂板的爆破處理進行研究，目的是測試頂孔的初步處理的爆破參數和間距，確保設計合理的參數。盡管對工作面頂板的預裂爆破已產生了良好的工程效果，但由于施工場地有限，在施工過程中仍然存在許多問題。有必要對此技術進行進一步的理論研究和現場試驗。