沿空留巷聚能爆破的應用與實踐

姬 翔

(山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司,山西晉城048003)

切頂卸壓沿空留巷技術由于減少了煤柱的留設，可以有效緩解采掘接替緊張、減弱應力集中的弊端，同時提高資源采出率因而被廣泛應用[1]。其中在切頂卸壓前，爆破方式的選擇及爆破參數的制定對于頂板礦壓的支護有著極大的影響[2]。因為在對煤巖頂部爆破時，爆破的震動作用不僅將對爆破區域煤巖體的穩定性產生強烈的影響，甚至誘發煤巖事故，并對將來巷道支護造成困難[3]。鑒于此將對大陽煤礦3306 工作面沿空留巷的聚能爆破的具體施工工藝進行研究分析。

1 工程概況及問題

大陽煤礦3306 工作面沿空留巷出現較大變形，局部地段僅頂煤下沉量就超過1m，影響通風和行人。分析認為，造成圍巖變形的主要原因有以下幾點：一是留巷內臨時加強支護不合理，沒有重點加強巷旁頂板管理，造成留巷頂板不均勻下沉，尤其是巷旁頂煤嚴重剪切下沉，頂煤完整性喪失；二是切頂卸壓護巷不到位，主要是爆破工藝缺陷導致切頂難以形成貫通性預裂面，或者切頂高度不足，導致留巷上方產生厚硬懸頂，懸頂回轉過程中強烈擠壓頂煤和煤幫，加劇圍巖和支護失效。三是局部地段錨網支護損失效率較高，錨索存在整體下沉現象。因此需要重視爆破施工工藝，確保切頂高度，再次加長錨固長度、提高護表構件強度、補打幫錨索、長短錨索差異支護等入手，進一步提高基本支護強度，確保圍巖完整性和留巷長期穩定。

2 沿空留巷切頂卸壓護巷優化設計

2.1 聚能爆破原理

在對圍巖加強支護的工作中，引入聚能爆破技術，該技術是將炸藥裝在炮孔連線方向的聚能管中，利用聚能效應，第一波爆炸所產生的能量將沿著聚能孔向外作用于孔壁巖石，聚能藥卷起爆時，聚能罩在高溫高壓爆轟波作用下被壓垮變形而形成聚能射流。由于聚能射流作用面較小，將對爆炸位置處的煤體造成強烈的壓縮應力及切向拉伸應力，有利于煤體快速破裂并形成侵徹槽，為后續爆炸氣體沿裂隙向煤層深處繼續擴展提供便利條件；而在聚能爆炸的其他部位，爆炸波以相對均勻向巖體傳播，具體如圖1所示。針對大陽煤礦現有爆破切頂存在的用人多、成本高、切縫效果差等問題，基于聚能爆破原理，利用聚能藥包定向斷裂爆破切頂卸壓技術，實現炸藥高效利用和爆生裂紋精準控制，既破斷巷外關健層，又減輕關健層破斷、回轉過程中對巷道上方頂煤的擠壓作用，減少巷道圍巖變形，有效避免巷內頂板臺階下沉和大變形。

圖1 聚能爆破原理示意圖

2.2 爆破主要器材

就能爆破所使用的主要器材包括聚能管、導爆索、雷管及礦用炸藥，其中聚能管是一種用于實現聚能藥包的阻燃抗靜電塑料套管，截面呈橢圓型，如圖2 所示。聚能管內徑35mm，外徑42mm，單節長度2m，線裝藥密度900～1000g/m，配套專用連接件和定位塊。導爆索需選用礦用安全型材質，以太安、黑索金炸藥為藥芯，并用棉線進行包裹，最低爆速超過100m/min。在炸藥品種的選擇上面應當選用安全系數較高的三級煤礦許用乳化炸藥，炸藥密度950～1250kg/m3，炸藥爆速不小于3000m/s。

圖2 橢圓型強力聚能管

2.3 孔網參數

（1）布孔方式。炮孔沿順槽回采側平行布置，為了避免爆破對頂板造成損傷，導致頂板離層或錨固失效，考慮到施工要求，最終確定鉆孔位置在巷道中心線向回采側2900mm處，設計鉆孔直徑為55mm，炮孔與水平面夾角為75°。

（2）切頂高度計算。為使綜放工作面頂板垮落矸石充滿采空區，消除懸頂產生的壓力，則冒落高度Mz可根據公式（1）、（2）計算：

式中：Mz——冒落高度；

Ka——冒落巖層的碎脹系數，取1.3；

H——割煤高度，取3.2m；

T——頂煤厚度，取2.5m；

Sa——老頂下位巖梁觸矸處的沉降值；

C——殘煤厚度，m；

η——放出率，取0.85；

Km——頂煤垮落后的碎脹系數，取1.1。

經理論計算得：Mz=17m。

（3）炮孔長度計算。根據以上分析，頂煤和頂板矸石完全充滿采空區的冒落高度應為17m，炮孔長度L分別需使用公式（3）計算:

式中：β——炮孔與水平面夾角，取為75°。

經計算L=18m。

（4）炮孔間距。對于聚能爆炸炮孔間距的計算需按應力波與爆生氣體準靜壓共同作用來確定。封閉在炮孔內的爆生氣體以準靜壓的形式作用于炮孔壁，其應力狀態類似于均勻內壓的厚壁筒。根據彈性力學的厚壁圓筒理論及巖石中的抗拉強度準則[5]，按照公式（4）、（5）計算：

式中：a——炮孔間距，m；

σ——巖石的抗拉強度，取3.67MPa；

P1——炮孔壁初始壓力峰值，MPa；

ρ0——炸藥密度，1250kg/m3；

D——4000m/s；

n——壓力增大倍數，取10；

dc——聚能管內徑，35mm；

db——鉆孔直徑，55mm。

因此，按照應力波與爆生氣體準靜壓共同作用原理，炮孔間距應為a=1.08m。由于P2和P0遠大于巖石抗壓強度，所以孔壁會產生壓碎破壞，造成炸藥能量損失，為使裂隙可靠發展，初期取炮孔間距1000mm，后期根據爆破效果及時調整。

2.4 裝藥結構

采用孔底不耦合連續裝藥，聚能藥包定向斷裂爆破。炮孔長度18m，聚能管裝藥總長度12m，炮泥封孔長度6m。將乳化炸藥裝入聚能管內，單節聚能管長度2m。

2.5 爆破網絡與起爆方式

采用導爆索多點起爆聚能藥包，單次最多起爆12個炮孔，每3 個炮孔為一組，共4 組（后期根據通風要求，可適當調整每次爆破組數）。導爆索采用電雷管正向起爆，每個炮孔安裝2 發同段位毫秒延期電雷管。串并聯起爆網絡見圖3。

圖3 電雷管串并聯起爆網絡

3 爆破施工試驗及施工流程

3.1 切縫試驗

為了保證炮孔間距的技術可靠性和經濟合理性，進行切縫試驗。從擬爆破位置開始往工作面推進方向，按照裝藥孔間距1000mm，裝藥孔與觀測孔間距500mm 進行布置。切縫試驗炮孔布置，見圖4所示。

圖4 切縫試驗炮孔布置圖

按照試驗段爆破參數進行3次切縫試驗，采用鉆孔窺視儀每組試驗觀察空孔的成縫效果和頂板損傷情況，若在觀測孔內未發現縱向裂縫或只有局部縱向裂縫，說明炮孔間距偏大，應縮小炮孔間距；若在觀測孔內發現縱向裂縫長度達裝藥長度60%以上，說明炮孔間距合理；若在觀測孔內發現縱向裂縫長度達裝藥長度90%以上，且孔內有巖石破碎現象，說明炮孔間距偏小，應增大炮孔間距。

3.2 施工過程

在斷層及圍巖破碎帶、陷落柱、頂板淋水區、瓦斯異常區等復雜地段及其前后各10m 范圍內（不小于2倍的巷道跨度）嚴禁爆破作業。為保證切縫效果，超前100m 外進行爆破作業。目前單臂鉆機施工效率低，每班3 人施工3 個孔，不符合減人提效要求，而且炮孔定位偏差較大，難以實現貫通性裂縫。國內已有廠家研制出新型雙臂高效快速切頂鉆機，每搬移一次鉆機可以打設6 個炮孔，而且保證這些炮孔施工在同一平面上，提高切縫效果，減少對圍巖損傷，每班可施工12個以上炮孔，成孔速度提高4倍以上。

4 爆破效果

為了對3306工作面聚能爆破的效果進行準確得到評價，在聚能爆破切頂后，對工作面進行了30d的礦壓觀測。將工作面支架沿傾向根據離切頂線的位置分為：1～5號為未切頂側處支架、6～10號支架為工作面中部支架、11～15 號支架為切頂側支架，將對這三部分支架的最大工作阻力進行監測，工作面不同位置液壓支架最大工作阻力隨時間變化如圖5所示。

圖5 工作面支架最大阻力隨時間變化圖

如圖5所示，1～5號未切頂側支架最大工作阻力達到42.5MPa，平均值為32.1MPa；6～10 號工作面中部支架最大工作阻力為39.5MPa，平均值為29.7MPa；11～15號切頂側支架最大工作阻力為38.6MPa，平均值為26.7MPa。礦壓監測結果顯示切頂側來壓強度最小，切頂側最大及平均工作阻力較未切頂側分別降低了9.2%及16.8%。并且1～5 號支架工作阻力變化幅度較其他未切頂側支架平穩。由此可見，聚能爆破后的工作面礦壓顯著降低，切頂卸壓效果明顯，進一步驗證了聚能爆破的有效性。

5 結束語

基于聚能爆破原理，對大陽煤礦沿空留巷工作面進行了雙向聚能爆破的作業，并對不同區段礦壓進行了監測。根據監測結果，切頂側來壓強度最小，切頂側最大及平均工作阻力較未切頂側分別降低了9.2%及16.8%?，F場應用表明聚能爆破可以實現煤層透氣性的提高并對圍巖頂板進行有效的保護。