复合灰岩顶板闭合爆破切顶技术研究

武善元，时启鹏，李廷春，云 明，赵仁乐

(1.山东能源临沂矿业集团有限责任公司，山东 临沂 276017；2.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590)

复合灰岩顶板属于极坚硬顶板，具有较高的强度和完整性，不易发生断裂。工作面推采后，往往在采空区一侧形成大跨度悬臂梁结构，突然垮落易引起大面积来压、形成飓风冲击；产生的高附加应力对巷道的稳定性造成长时影响，易导致留巷顶板岩层错动、巷道变形。

针对坚硬顶板难垮落问题，目前主要采用注水弱化和爆破弱化两种手段[1-4]。黄炳香等[5]采用注水弱化顶板方法，提出水压致裂控制理论并控制水压主裂缝扩展方向，使顶板及时充分冒落；吴拥政[6]理论分析了留巷定向水力压裂卸压机理，开展定向水力压裂裂纹扩展方向研究，取得了较好的弱化坚硬顶板的效果；高魁等[7]采用深孔爆破切顶卸压技术释放顶板压力，使厚层顶板顺利垮落；王拓等[8]采用超前深孔预裂爆破技术弱化坚硬顶板，设计合理的爆破参数，实现对坚硬顶板的有效控制。

借鉴上述研究成果，邱集煤矿采用深孔爆破弱化1102工作面复合灰岩顶板，推采后，采空区大跨度悬顶问题没有得到很好的解决。由于悬顶产生的强烈动荷载，综采支架严重超载，巷道变形严重。通过分析钻孔窥视图像、矿压监测数据等，经专家论证，发现悬顶原因主要有3个方面。首先是复合灰岩顶板整体性好、岩性均匀、强度大，在两侧顺槽切顶不能彻底解决长距离悬顶问题；其次是四灰和五灰中间夹有厚度较小的泥岩，切顶和爆破参数设计未重视泥岩夹层的存在；再次是装药和封堵没有考虑四灰、五灰和泥岩的厚度状况，封堵长度设计不合理，且未采取四灰和五灰厚度内的加强装药。因此，结合工作面工程现状，分析计算采空区合理悬顶长度，提出深孔爆破闭合切顶技术，并针对性设计爆破切顶参数，定距切割采空区顶板形成闭合切缝面，促使采空区顶板随推采及时垮落，降低垮落步距，保障巷道稳定和采煤工作安全高效进行。

1 工程概况

邱集煤矿位于山东省德州市齐河县马集镇境内，矿区地势平坦，地面高程+29～+31m，所开采煤层为11煤，地面标高为-450～-240m。

邱集煤矿1102工作面为11煤首采区试采工作面，采用倾斜长壁一次采全高采煤法。工作面煤层厚度为1.50～2.45m，平均煤厚2.02m，走向长度52m，倾向长度173m，煤层走向近东西，倾向北，倾角3°～8°，煤层平均倾角4°，煤层赋存比较稳定。煤层顶板为致密坚硬的复合灰岩顶板，中间夹有厚度较小的泥岩，底板为泥岩和粉砂岩。煤层及顶底板岩性柱状如图1所示。

图1 煤层及顶底板岩性柱状

2 采空区顶板垮落步距分析和悬顶长度计算

2.1 垮落步距计算

复合灰岩顶板具有较好的强度和完整性，可以看作连续介质顶板进行荷载计算，未切顶前的采空区顶板可以看作四周固支岩梁模型进行分析[9]。

在计算垮落步距之前，基于岩梁模型计算复合顶板上覆均匀荷载。由岩梁的经典覆岩荷载计算理论[10]，n层荷载对第1层的影响可按式(1)计算：

式中，(qn)1为考虑第1层岩层上方n层岩层时，对第i层岩层的荷载，kPa；Ei为各岩层的弹性模量，GPa；hi为各岩层厚度，m；γi为各层岩层容重，N/m3。

顶板本身自重荷载为：

q1=γ1h1=52.86kPa

第2层对第1层的荷载作用为：

第3层对第1层的荷载作用为：

由于(q3)1<(q2)1，故顶板上覆荷载q=74.35kPa。

最大弯矩发生在岩梁的两端，即：

式中，q为顶板上覆荷载，MPa；L0为极限垮距，m。

梁端的最大拉应力为：

式中，W为岩梁截面模量，W=h2/6，m2。

当梁端拉应力达到其极限抗拉强度，顶板发生断裂破坏，从而计算出顶板初次垮落步距：

根据式(4)计算得，未切顶时的顶板初次垮落步距为45m。由周期垮落步距与初次垮落步距的关系：

得到周期垮落步距为19m。

由于四灰、五灰岩石强度高，未切顶前的顶板初次垮落步距和周期垮落步距较大，顶板悬露面积更是达到了2340m2，严重危害了工作面的安全。

2.2 合理悬顶长度计算

针对复合顶板悬露面积和垮落步距大等问题，分析计算合理悬顶长度，定距断裂采空区顶板，减小采空区悬顶面积。复合灰岩顶板悬臂梁上覆荷载近似视为受均匀荷载q。当上覆荷载不超过综采支架的最大工作阻力，悬臂梁长度合理，即：

式中，L为复合顶板悬壁梁长度，m；[P]为综采支架的最大工作阻力，kPa；La为综采支架控顶长度，m。

基于综采支架最大工作阻力确定的复合灰岩顶板悬顶长度计算公式为：

综采支架类型为ZY5000，最大工作阻力为5000kN，支架控顶长度为3m，根据式(7)计算得复合灰岩顶板合理悬顶长度为14.2m。考虑综采支架控顶长度，复合灰岩顶板合理悬顶长度取11m。

3 深孔爆破闭合切顶技术

基于悬臂梁模型计算出的合理悬顶长度，提出深孔爆破闭合切顶技术。

深孔爆破闭合切顶技术是采用聚能爆破技术，利用岩石抗压不抗拉的特性，定向闭合切割采空区顶板。首先在切眼处进行顶板钻孔、装药，由切眼中心向两侧起爆，产生初始切眼切缝面；随工作面推采，提前对工作面两侧回采巷道顶板钻孔打眼施工，超前工作面装药、起爆，爆破断裂采空区顶板，相邻炮孔间产生的裂缝贯通形成回风巷切缝面和运输巷切缝面；随着工作面的推采，当采空区悬顶长度达到11m，对推采线处顶板进行爆破切顶，形成一个闭合切缝面，使采空区顶板能够在矿山压力作用下沿闭合切缝面自行垮落；随着工作面向前推进，重复此施工工艺流程，形成多个闭合切缝面；待工作面推采至距终采线处，对终采线处顶板进行爆破切顶，使得整个采空区顶板切缝面闭合，复合顶板完全垮落，其炮孔布置如图2所示。

图2 切顶钻孔布置

相较于普通爆破切顶技术，采用深孔爆破闭合切顶技术能够设定合理采空区悬顶长度并爆破断裂，使采空区顶板能够随推采及时垮落，避免大跨度悬顶突然垮落产生的巨大冲击荷载对巷旁支护结构的破坏。对终采线顶板爆破强制放顶，消除采空区末端悬顶现象，避免末端长期悬顶产生的高附加应力造成巷道支护结构失稳和加剧巷道围岩变形。

4 切顶爆破参数设计

复合灰岩顶板岩层结构复杂，四、五灰岩中夹有薄层泥岩，为获得良好的切顶垮落效果，针对性设计爆破切顶参数，包括切顶角度、切顶高度、炮孔间距和封堵长度。

4.1 切顶角度

切顶角度为切顶爆破孔与垂线的夹角，影响着顶板之间的挤压摩擦力，而实现顺利切顶的关键在于顶板的下滑力大于挤压摩擦力。复合灰岩顶板是致密坚硬的岩层结构，较小的切顶角度对切缝两侧顶板挤压摩擦力的影响较小，顶板仍然可以视为一个整体，顶板之间的挤压摩擦力大于顶板的下滑力，导致顶板难以垮落。较大的切顶角度则会增加留巷侧向悬臂梁长度，造成巷旁支护阻力过大，加大支护难度。根据相似工程经验[11-14]知，当采高大于1m时，切顶角度θ不超过15°。为保证切顶后采空区顶板能够顺利垮落，并结合现场试验结果，最终确定1102工作面切顶角度为15°。

4.2 切顶高度

在复合灰岩顶板条件下进行切顶，切顶仅需要将直接顶垮落下来，即切顶高度达到直接顶与基本顶的分层面，但若直接顶小于煤层厚度，切顶高度需要进一步深入。基于岩石碎胀自承特性理论，切顶高度计算公式为：

式中，H为切顶高度，m；ΔS为顶板下沉和底板鼓起总量，m；M为煤层厚度，m；Kp为岩石平均碎胀系数，可按式(9)计算：

式中，Hi为第i层顶板岩层厚度，m；Ki为第i层顶板岩层的碎胀系数。

由110工作面顶板岩层分布可知，直接顶为厚度2.01m的五灰，基本顶为厚度5.13m的四灰，中间夹有厚度1.14m的泥岩。根据式(9)计算得，Kp取值为1.35。1102工作面煤层厚度最大为2.45m，经式(8)计算得，切顶高度为7m。

复合灰岩顶板岩石整体性好、强度高，且直接顶厚度和泥岩夹层厚度较小，当切顶高度为7m时，切顶高度达到基本顶深处，为保证基本顶未贯穿部分在采空区顶板回转下沉过程中顺利断裂、垮落，增加切顶高度至基本顶与上覆顶板分层面上，完全切断基本顶，使基本顶随直接顶在矿山压力下顺利垮落，垮落矸石对上覆岩层起到较好的支撑作用，减缓上覆岩层的回转下沉对预留留巷的影响。因此，设计切顶高度为8.5m。切顶高度与切缝钻孔深度l的关系为H=lcosθ，得到切缝爆破孔深度为9.0m。

4.3 炮孔间距

深孔聚能预裂爆破采用柱状不耦合连续装药，考虑到聚能装置的聚能作用，在聚能方向作用在炮孔壁上的应力峰值压力[15]为：

式中，ρ0为炸药密度，g/cm3；Dv为炸药爆度，m/s；rb为爆破孔半径，m；rc为药卷半径，m；lc为轴向装药长度，m；ld为炮孔药室长度，m；ξ为聚能效应影响系数，根据相关研究[16-18]，裂隙区ξ=1.57～2.5；n为炸药爆炸产物膨胀碰撞炮孔壁时的压力增大系数，一般取n=8～11。

当顶板岩体内任一点环向方向拉应力峰值大于其抗拉强度时，顶板裂缝能够继续扩展，由此得：

考虑到爆破已对岩石造成的损伤以及岩体本身裂隙，引入损伤因子D0，得到聚能方向岩体裂隙扩展半径为：

爆破孔间距应使相邻爆破孔裂隙区贯通，形成完整的切缝面，所以相邻炮孔间距E应为岩体裂隙圈扩展半径的2倍，即E=2r。

1102工作面顶板为复合顶板，泥岩的抗拉强度远小于四、五灰的抗拉强度，所以采用五灰的抗拉强度能够满足复合顶板裂缝扩展强度要求。炸药选用煤矿许用二级乳化炸药，药卷规格为Φ27mm×200mm，计算得炮孔间距为1.26m。考虑到中深层井下爆破环境，现场爆破的裂缝扩展长度很难达到理论计算值[19]，并结合现场试验得，炮孔间距选取为1.0m。

4.4 封堵长度

复合灰岩顶板强度高、难断裂，爆破产生的裂缝扩展距离有限，因此，设计合理炮孔封堵来提高爆炸应力波和爆生气体的扩展裂缝作用。为获得合理的炮孔封堵长度，在炮泥运动的基础上研究炮泥运动规律。在爆炸荷载的作用下，炮泥会产生压缩和向孔口移动两种运动过程。爆生气体作为理想气体且充满整个炮孔空间，其准静压力远小于爆炸冲击波，故认为炮泥在爆生气体准静压力作用下做整体刚性运动，运动模型如图3所示。

图3 炮泥运动模型

爆炸是瞬态变化的过程，认为在炮泥压缩过程中受到压力P保持不变，所以炮泥压缩时间应为爆炸冲击波在炮泥中传播时间，即：

式中，ls为封孔长度，m；cp为岩体的纵波波速，m/s。

炮泥在爆生气体压力作用下向孔口移动，炮孔内气体体积增大，从而导致爆生气体压力减小，其压力衰减规律[20]为：

式中，P0为初始冲击压力，N；l为炮孔深度，m。

为简化计算，取爆生气体平均压力代替炮泥运动过程中变化的瞬时气体压力。在炮泥压缩过程中，炮泥发生径向膨胀而挤压炮孔壁，导致炮泥与孔壁之间存在一定强度且均匀分布的摩擦阻力。根据牛顿第二定律对炮泥分析得：

式中，M为装药重力，N；G为炮泥重力，N；m为炮泥质量，kg。

由式(15)可得炮泥运动加速度，为简化计算，取加速度平均值代替炮泥刚体运动过程中的瞬时加速度。因此，炮泥全长卸载作用时间为：

炮泥封堵是为了裂缝更好发育，所以炮泥全长卸载时间大于爆炸应力波和爆生气体在岩石中成缝时间，即：

式中，cf为裂纹扩展极限速度，cf=0.38cpm/s。

经式(17)计算得，封堵长度为1.84m。考虑复合灰岩顶板中五灰岩层较坚硬、难断裂，装药段应达到五灰岩层处，所以炮孔封堵长度选取2.0m，但封堵长度不应超过2.0m。

5 现场应用与效果分析

5.1 切顶施工方案

综上可知，爆破切顶参数选取切顶高度为8.5m，炮孔直径为70mm，钻孔深度为9m，切顶角度为15°，炮孔间距为1.0m，炮孔封堵长度为2.0m，炸药选用煤矿许用二级乳化炸药，药卷规格为∅27mm×200mm。为获得最优装药结构，选用∅63mm和∅40mm的PVC聚能管，设计4种的装药方式进行现场爆破试验以确定最终装药结构，现场试验方案见表1。根据复合灰岩顶板五灰、泥岩、四灰的岩层分布，应采取两端多中间少的装药结构，经现场试验结果分析得，采用“2+1+2”的装药结构，爆破切缝效果最好，其装药结构如图4所示。现场施工时，超前工作面对顶板实施爆破切顶，炸药放入聚能管，聚能管安装于爆破孔内，正向起爆，单次起爆3个炮孔。

图4 装药结构

表1 现场试验方案

获取良好的闭合切顶效果，在切缝面拐角处，炮孔布置采取向两侧倾斜的方式，炮孔倾斜角度控制在85°左右。拐角处炮孔爆破后，能够产生光滑且贯通的切缝面，避免巷边垮落矸石造成巷道支护结构的破坏。

5.2 爆破效果检验

邱集煤矿1102工作面运用深孔爆破闭合切顶技术，成功解决了采空区大跨度悬顶问题。炮孔起爆后，采空区顶板沿炮孔连线方向出现明显裂缝，破坏了顶板的完整性。采用钻孔窥视仪对爆炸前后炮孔内部裂隙状态进行窥视，观察到爆破前孔壁光滑完好，无明显裂隙和节理；爆破后沿聚能方向产生两条裂缝，在其他方向无裂隙产生。通过相邻炮孔注水试验，对一侧炮孔进行封堵注水，注水从相邻孔流出，相邻炮孔裂缝贯穿良好。

推采线处采空区顶板爆破切顶完成后，复合灰岩顶板沿闭合切缝面顺利垮落，减小了采空区悬顶长度，避免了顶板来压一次垮落面积大等问题。待终采线处完成爆破切顶，采空区顶板完全垮落，垮落矸石既可以支撑上覆岩层和充填巷帮，又可以限制上层顶板下沉。由于四五灰岩层变化的影响，在钻孔过程中炮孔角度会出现一些偏差，导致顶板切缝线出现了不同程度的偏斜，但大部分顶板偏斜小于0.5m，能够满足顶板裂隙贯穿要求。

综采支架随工作面推进的最大工作阻力变化情况如图5所示。随着工作面的推采，综采支架压力迅速上升；爆破断裂采空区顶板后，大跨度悬顶沿闭合切缝面顺利垮落，综采支架压力迅速下降。经监测得，顶板初次垮落步距从45m降低为24m，周期垮落步距从19m降低为11m，分别降低了46.6%和42.1%，有效减小了垮落步距，取得了良好的顶板垮落效果，加快了工作面的安全推采。

图5 综采支架平均工作阻力变化曲线

6 结 论

1)基于四周固支岩梁模型，理论计算了复合灰岩顶板初次垮落和周期垮落步距，证明未切顶开采存在垮落步距和悬顶面积较大等问题，为切顶必要性提供理论支持。

2)工作面推采后，复合灰岩顶板出现大跨度悬顶，通过分析计算合理悬顶长度，提出深孔爆破闭合切顶技术，定距爆破切割采空区顶板形成闭合切缝面，促使采空区顶板随推采及时垮落。

3)针对性设计合理的爆破切顶参数，建立炮泥运动模型，推导封堵长度计算公式，并根据复合灰岩顶板岩层分布对切顶参数和装药结构进行优化，试验证明参数设计合理。

4)邱集煤矿1102工作面成功应用深孔爆破闭合切顶技术，实践结果证明：爆破切顶后，相邻炮孔间裂缝贯通形成闭合切缝面，采空区顶板沿闭合切缝面随工作面推采及时垮落，解决了采空区大跨度悬顶问题；复合灰岩顶板初次垮落步距从45m降低为24m，周期垮落步距从19m降低为11m，分别降低了46.6%和42.1%，有效减小了垮落步距，为类似地质条件下的悬顶问题提供了一定参考。