坚硬顶板超前预裂爆破技术在沿空留巷中的应用

2013-04-18刘书梁

采矿与岩层控制工程学报 2013年2期

刘书梁

(邯郸市孙庄采矿有限公司，河北邯郸056200)

1 坚硬顶板超前预裂爆破技术简介

采用双向聚能拉张成型爆破对坚硬顶板采用超前预裂技术，当回采工作面推过后，采空区顶板沿留巷侧能够充分垮落，这就大大缩短了沿空巷道上覆的坚硬顶板在采空区侧的悬臂长度，从而减小了采动引起的集中应力。通过改变巷道围岩受力状况使围岩易于维护，只采用巷内支护形式，取消巷旁充填，即可保证沿空留巷的支护成功。

坚硬顶板超前预裂聚能拉伸成型爆破是一种新的控制爆破技术，是在常规爆破基础上发展起来的。不同的是要将炸药放入在2个设定方向 (本试验为180°)能有聚能效应的聚能装置内，炸药起爆后，在非设定方向上爆破孔围岩均匀受压，在设定方向上集中爆破孔围岩集中受拉，能够按照设定的方向产生定向爆破，从而形成较为光滑的定向爆破裂隙面，实现精确的聚能控制爆破。

2 双向爆破聚能模型及力学过程分析

双向聚能装置有2个重要力学作用:

(1)非设定方向上，爆破孔围岩整体将均匀受压。

(2)在设定方向上爆破孔围岩处于受拉状态。

双向聚能爆破原理如图1中XOZ平面聚能拉张模型所示，爆破孔之间岩体受拉力作用。拉应力处于垂直预裂隙发育方向，正是充分利用了岩石“抗压不抗拉”的特性，导致岩石沿设定方向进一步拉裂。几个联孔同时起爆时，在爆破孔之间静应力场产生叠加作用，爆破孔间的拉张应力作用更为强烈。当找到合适的孔间距时，相邻的孔之间就会产生较大裂隙，连成一条裂缝。

图1 双向聚能爆破原理

要形成贯通裂缝，必须满足下列2个条件:

(1)要确保爆破孔延伸方向上孔壁开裂，必须要求作用于孔壁岩石上的初始拉应力大于岩石的抗拉强度。满足该条件的轴向不耦合系数为:

式中，Kl为轴向不耦合系数，Kl=Lb/Lc，Lb，Lc分别为炮眼长度和装药长度;Kd为径向不耦合系数，Kd=db/dc，db，dc分别为炮眼直径和装药直径; Po为爆生气体的初始平均压力;Pk为临界压力;一般Pk=200MPa;β为压力增大系数.取β=8～10; λ为侧压系数。可取λ=μ/(1－μ)，μ是岩石泊松比;Kθ为拉应力增大系数;一般近似取Kθ=2;Rt为岩石的单轴抗拉强度;r为凝聚炸药绝热指数，一般r=1.2～1.3;k为等熵指数，一般k=3。

(2)为保证孔壁岩石不发生压缩性破坏，就必须要求作用于孔壁岩石上的初始径向应力峰值低于岩石的抗压强度。满足该条件的轴向不耦合系数Kl为:

3 聚能爆破

聚能管结构如图2所示。在圆管两侧采用切缝或打圆孔形成导向带，切缝宽度一般选择3～5mm，打圆孔直径为3～5mm。在聚能管内连续装入炸药卷，做成聚能药包，如图3所示。由于预裂深度达4.0～4.5m，聚能药包分成3段，长度分别为1.35m，1.5m和1.15m，聚能爆破装药结构如图4所示。

图2 聚能管结构

图3 聚能药包结构

图4 聚能爆破装药结构

4 聚能爆破参数的确定

4.1 炮眼间距

由于爆炸应力波［2］的作用，孔壁能够产生裂纹的条件为:

式中，σθ为作用于岩石上的最小主应力;σ3为切向拉应力。

这样就确定出有关孔边裂纹的初始裂纹长度为

式中，σr0为初始应力峰值;α为应力波衰减系数，α =(2－μ)/(1－μ);μ为岩石泊松比。

从式(4)可以得出这样的结论:孔边初始裂纹长度α与炮孔半径rb、初始应力峰值σr0成正比关系，则σr0和rb越大，a就越大。

裂隙在不断的扩展过程中，裂隙尖端的应力强度因子为

式中，Pb为爆生气体充满炮眼时的静压，Pb= (Pc/Pk)r/n(rc/rb)2rPk;Pc=ρ0D2/8;ρ0为装药密度，kg/m3;D为炸药爆速，m/s;Pk=200MPa; b为裂纹最终扩展长度。

随着裂纹的向外扩展过程中，裂纹尖端的应力强度因子将会逐步变小，变小到一定程度时，裂纹将会终止。裂纹最终扩展长度b由 (5)式及下式确定:

式中，KIC为岩石断裂韧度，MPa/cm3/2。野青灰岩岩石断裂韧度KIC=1.40～1.45 MPa/cm3/2。

4.2 炮孔装药量

当径向和轴向不耦合系数确定后，装药集中度及单孔装药量［3］也就确定了。

式中，ql为装药集中度;db，dc分别为装药直径和炮孔直径。

为保证有效保护顶板，还应保证炮孔利用率，药量根据上述公式及参照岩性f=8～10，确定为1200～2250g/孔。药量可根据爆破效果进行适当调整。通过选择合适的径向不耦合系数和轴向不耦合系数及装药密度，来达到良好的爆破效果。

5 实施效果

孙庄采矿公司野青灰岩为坚硬顶板，根据岩石断裂韧度采用3号岩石乳化岩石炸药，可得b= 24rb，则炮孔间距E=2b=960mm。为确保完全断裂，炮眼之间完全贯通，保留合适的安全系数，则炮孔间距设为900mm。

根据孙庄采矿公司12465地区顶板结构，爆破孔深度确定为3.5～4.5m。为保证爆破孔质量，应平直齐，靠近工作面侧100mm布置成一条直线，爆破孔的孔位和角度严格按设计要求布置。

具体实施方案为:炮孔深3.5m，间距900mm，采用φ27mm的3号岩石乳化炸药，单孔装3个聚能药包，装药量1200～2250g，如图5所示。

图5 沿空留巷聚能爆破炮孔布置

现场施工表明，坚硬顶板超前预裂爆破技术应用于沿空留巷中，能够较好地使预留巷道的坚硬顶板形成切缝，预裂的采空区侧顶板及时规则冒落，巷道顶板完整保留，矿压显现不明显，如图6和图7所示，从而达到切顶卸压的目的。留巷只采用锚网索及单体液压支架支护形式加固，就保证了巷道的稳定性，为原煤生产实现稳产高产提供了很好的基础。