深孔预裂爆破法在顶板弱化处理中的应用

赵亚军，孔维科，阴 磊，冯 伟，2

（1．内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014000；2．山西潞安矿业集团，山西 长治 046299）

·技术经验·

深孔预裂爆破法在顶板弱化处理中的应用

赵亚军1，孔维科1，阴 磊1，冯 伟1，2

（1．内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014000；2．山西潞安矿业集团，山西 长治 046299）

坚硬顶板具有强度高、节理裂隙不发育的特点，其整体性和自稳能力比较强，在开采过程中易形成大面积的悬顶，给工作面的安全生产带来隐患。因此，为能够达到工作面安全与高效生产，必须对坚硬顶板进行处理，使处理后的顶板岩体的物理力学性质发生改变，减小坚硬顶板的悬露面积，避免发生大面积顶板来压。本文以常村矿S6-2工作面为例，论述了深孔预裂爆破方法在坚硬顶板弱化方面的应用。

顶板弱化；深孔预裂爆破；坚硬顶板；悬顶

1 工程及地质概况

常村矿S6-2工作面位于北宋杜村东北部。南临S6采区放水巷、东北接S翼轨道巷及S6轨道上山、东邻S6-3工作面（未布置）、西邻S6-1工作面（未布置）。所采3#煤层，煤厚平均5．84 m，煤层埋藏深度为351．5～415．8 m。根据矿井地质报告和S6-2综放工作面作业规程及现场观察结果可知，工作面顶板主要由泥岩、灰白色中砂岩（局部相变为浅灰色细砂岩）。直接顶为1层厚1．11～1．55，平均1．34 m的灰黑色泥岩；老顶为厚度0．8～10．8 m，平均7．02 m的灰白色中砂岩（局部相变为浅灰色细砂岩），老顶砂岩单轴平均抗压强度在111．9～115 MPa（普氏硬度f=11．19～11．5）。由于老顶岩层厚度大，致密坚硬，回采过程中不易垮落，易形成大面积悬顶。因此，为了安全开采，需对老顶进行弱化处理。

2 S6-2工作面顶板垮落方法的选择

国内外坚硬顶板的处理方法主要有顶板注水弱化法、爆破弱化法等。

由于不同的岩石注水后强度的变化不一样，在对顶板岩层采用注水方法弱化前，首先要对顶板岩层进行浸水试验，只有进行浸水实验后，其强度明显降低的岩体才适宜采用注水的方式进行弱化。根据常村煤矿3#煤层S6-2工作面顶板综合柱状可知，工作面顶板中7．02 m厚致密坚硬的老顶砂岩为主要弱化处理对象，砂岩的强度受注水影响不明显，而且，由于注水软化法存在着周期长、工序繁琐等不足。因此，S6-2工作面顶板处理方法不宜选用注水弱化的方法处理顶板。

现有资料表明，国内外控制坚硬顶板的主要方法为爆破，其爆破顶板处理方法有很多种，如步距式深孔爆破、循环式浅孔爆破、超前深孔松动爆破等。由于超前深孔松动爆破不影响工作面生产，且效果较明显，应用较广。所以，选用深孔预裂爆破方法对S6-2工作面坚硬顶板进行弱化处理。

3 深孔预裂爆破的基本理论

3．1 爆破作用效果

炸药爆破时，处于药包周围的煤岩体由于受到强烈冲击波作用，形成各破坏区域，见图1。

3．2 柱状药包在煤岩体中爆破产生的载荷

根据声学相似理论，药包在不耦合条件下，煤岩体中被包裹的柱状药包爆炸后，会向煤岩体施加一个压力P：

图1 破坏区域分布示意图

式中：

P0—炸药爆轰压，MPa；

K—径向不耦合系数，K=db／dc，db、dc分别为炮孔的半径、药包半径，mm；

η—爆轰产物的膨胀绝热指数，取3；

lc—装药时沿药包轴方向系数，取1；

n—炸药爆炸产物膨胀碰撞炮孔壁时的压力增大系数，取10；

ρ0—炸药密度，kg／m3；

Dv—炸药爆速，m／s。

透射冲击波在煤岩体中传播时，由于其强度受到阻力会不断衰减，直至衰变成能量较小的应力波。位于煤岩体中的任何一点所能引起的径向、切向应力值大小，可分别表示为：

式中：

σr—煤岩体中的径向应力，MPa；

σθ—煤岩体中的切向应力，MPa；

一般煤岩体的泊松比会随应变率的减小而呈逐渐增大趋势。根据对有关数据的研究总结，可以认为，在加载率允许的范围内有：

式中：

μ—煤岩体静态泊松比。

3．3 爆炸载荷作用下的破坏准则

在外载荷作用下，材料发生破坏时，其准则应取决于材料本身的承受能力和实际受力状况。根据有关力学试验结果表明：在煤岩体爆炸破坏过程中，煤岩体被压缩变形成为压碎区，煤岩体受拉伸作用形成裂隙区。

煤岩体中任一点的应力强度值大小为：

根据Mises准则，当煤岩体要想发生破坏，应满足如下数量关系式：

式中：

σ0—煤岩体单轴受力条件下的破坏强度，MPa；

σcd、σtd—煤岩体的单轴动态抗压强度、单轴动态抗拉强度，MPa。

对一些较为常见的煤岩体进行爆破时，根据现有的资料可知，其动态抗压强度与静态抗压强度之间的关系表示为：

式中：

σc—煤岩体的单轴静态抗压强度，MPa；

ε—加载应变率，s-1。

根据相关资料研究表明，在压碎圈内，ε可在100～104s-1范围内取值；在压碎圈外，煤岩体加载率较低，ε可在102～103s-1之间取值。由于煤岩体的动态抗拉强度受ε值的影响不是很大，在煤岩体工程爆破的ε值范围内可取：

式中：

σt—煤岩体的单轴静态抗拉强度，MPa。

3．4 条形（柱状）药包爆破波的作用区域理论

通过对上述波动力学的研究分析，结果表明：当煤岩体发生爆炸时，产生的载荷冲击波将首先作用于煤岩体介质内。冲击波在传播过程中，爆炸能量向煤岩体周围释放，随着能量逐渐减少，爆炸气体压力和温度会发生急聚下降，致使位于其周围熔融状的煤岩体的应力状态得以快速解除，这就使煤岩体具有很大的动态抗压强度，由于煤岩体的压碎圈消耗掉了冲击波的绝大多数能量，使爆炸冲击波在其附近区域衰减比较明显，因此，笔者认为首先研究爆破冲击波作用区域，从理论计算和工程实际方面都有着及其重要的意义。

1）压碎圈半径。

对于柱状药包，可以认为其周围的煤岩体在强烈的冲击波作用下变为不可压缩流体，在不耦合装药条件下，且不耦合系数较小时，相应的压碎圈半径为：

式中：

2）裂隙区半径。

由式（6）得：

式中：

在压碎圈与裂隙区的分界面上，由式（10）可得：

式中：

σR—压碎区与裂隙区分界面上的径向应力，MPa。

根据强度准则，煤岩体出现裂隙区域时的半径为：

把式（11）代入式（12）得不耦合装药条件下裂隙区半径为：

把有关顶板物理力学的各个参数（细粒砂岩单轴平均抗拉强度3．1 MPa，单轴平均抗压强度111．9 MPa；中砂岩单轴平均抗拉强度1．9 MPa，单轴平均抗压强度115 MPa；静态泊松比取0．23）和3号乳化炸药参数（炸药爆速2 800 m／s，炸药的密度1 194．265 kg／m3，不耦合系数1．25）分别代入到式（9）、式（13）中，最后计算可得煤岩体破碎区半径为479．6～485．5 mm，裂隙区半径为3 663．5～4 842．4 mm。以上参数可为矿上提供，参考三元煤矿3#煤层顶板岩层的力学实验结果，砂岩单轴抗压强度为109．7 MPa，单轴抗拉强度为6．1 MPa，计算得破碎区半径为489．9 mm，裂隙区半径为2 496．0 mm。

4 顶板深孔预裂爆破方案

4．1 顶板处理高度确定

为使S6-2工作面顶板垮落矸石充分填充采空区，放顶最小高度H可根据如下公式初步计算：

式中：

M—煤层采高，m，取煤层平均厚度3．0，初采期间，顶煤不放；

KP—顶板岩（煤）层初始碎胀系数，取1．30。

经计算得：H=10．0 m。

根据S6-2工作面顶板地质赋存情况，开切眼顶板由上到下依次为中砂岩（老顶，平均厚度为7．02 m）、灰黑色泥岩（直接顶，厚度为1．2～1．34 m）；顶煤（顶煤厚度平均为2．0～2．58 m）。其中，老顶为此次顶板弱化的主要处理对象，故初步确定开切眼放顶煤顶板处理高度应至少为10．94 m，本次顶板炮孔的垂直高度确定为沿工作面顶板至上方11 m范围处。

4．2 炮眼布置

根据理论计算和实践经验，深孔爆破孔径宜选定为75 mm，封泥长度为炮孔长度的20%～30%左右，径向装药不耦合系数为1．25。

1）切眼爆破炮孔布置。

在切眼内距开切眼外帮1．0～1．5 m处顶板打眼（考虑顶板锚杆、锚索位置，可在此范围内调整）。209 m长的切眼共布置32个炮孔：A、B孔各8个（A1～A8、B1～B8），C孔7个（C1～C7），D、E、F、G、I、J、K、L、M各1个。从皮顺到轨顺方向依次布置的炮眼编号为：I、J、K、L、B8、A8、C7、B7、A7、C6、B6、A6、C5、B5、A5、C4、B4、A4、C3、B3、A3、C2、B2、A2、M、A1、B1、C1、D、F、E、G。切眼切断爆破中施工炮眼总长617．83 m；装药总长度348 m，药量1 044 kg；封泥长度269．8 m。

2）顺槽破炮孔布置。

在皮顺巷道内施工1个炮眼（N孔）长13．0 m，仰角64°。N孔距皮顺巷外帮0．7 m左右，距切眼内帮1．5 m左右，炮孔布置见图2。N孔装药长度7．5 m，装药量22．5 kg。根据现场施工情况对每个炮孔做进一步装药量优化处理，需准备炸药量1 200 kg。S6-2工作面顶板弱化处理设计炮孔参数与装药量见表1。

图2 皮带顺槽炮孔布置图

表1 放顶各炮孔参数与装药量表

4．3 炮孔爆破

根据炮孔设计进行打眼，装药、联线和爆破。

放炮使用BF-200型起爆器，分组装药、分次爆破。一茬炮联线采用“总体串联，局部并联”的方式进行爆破，每次起爆炮孔1～2个，但最多不要超过3个炮孔，以免影响整体爆破效果。起爆顺序从切眼的皮顺向轨顺方向：I、J、K→L、B8、A8→C7、B7、A7→C6、B6、A6→C5、B5、A5→C4、B4、A4→C3、B3、A3→C2、B2、A2→M→A1、B1→C1、D→F、E、G。设计炮孔爆破完成后，视顶板情况再对皮带顺槽N炮孔进行装药爆破。

5 结 语

通过探讨深孔预裂爆破技术的具体工程实践，介绍了深孔预裂爆破技术在预先破坏顶板的完整性，减小顶板悬露面积，缩小顶板初次垮落步距，防止或减弱大面积悬顶给生产带来的隐患。同时也可以提前回收放顶煤，实现S6-2工作面安全、高效生产。本研究成果不仅在本矿区具有广泛的应用前景，而且在国内类似条件的矿区也有重要的推广、使用价值，具有显著的经济和社会效益。

TD235．33

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1672-0652（2013）10-0061-04

2013-07-02

赵亚军（1959—），男，河北秦皇岛人，1983年毕业于西安建筑科技大学，教授、硕士研究生导师，主要从事矿业工程等方面的教学及科研工作，（E-mail）526541909＠qq．com