冲击地压深孔断顶爆破钻孔布置优化研究与应用

刘芬，曹栋，邢立杰,3，王帆，李帅

（1.江苏能源股份有限公司陕甘分公司安全生产指挥中心 陕西 宝鸡 720000；2.西安科技大学安全科学与工程学院 陕西 西安 710054；3.陕西郭家河煤业有限责任公司 陕西 宝鸡 721500;4.靖远煤电股份有限公司红会一矿 甘肃 白银 730614）

0 引言

目前影响我国煤炭安全的最主要灾害形式之一就是冲击地压[1]。依据2020年国家煤矿安全监察局调研数据显示，我国的冲击地压矿井大多分布在内蒙古、陕西、山东等13个省区，共统计138处[2]。改善顶板条件是解决冲击地压的关键，采用的核心理念是减少冲击的频数或者减弱冲击的强度，采用的主要方法是人工注水抑或是人工爆破[3]，使得应力能够得到有效释放，缓解或抑制冲击地压所带来的危害。人工爆破中，深孔断顶爆破由于操作简便、效果好等优势，有较为广泛的应用范围。深空断顶爆破的效度取决于爆破中钻孔之间的距离[4]。

本文采用理论分析和现场工业试验等方法，以某矿井西二采区待回采二片工作面为研究对象，开展爆破钻孔间距优化相关研究，对该矿冲击地压防控有重要的实际意义，同时对通过断顶爆破方式防治冲击地压灾害的工作提供了重要的研究价值。

1 地质条件

2010年~2013年某煤矿深部西二采区显现冲击地压40余次，共计损坏巷道1 600 m，已经对该矿的人员与安全生产工作造成严重威胁。矿井掘进采用综合机械化采煤方式，其中9#煤层深度在650 m至700 m，矿井属于单斜构造，其倾角为10°，管理顶板的方式主要为全垮落法。地质构造的复杂分布,加之挤压应力较大，使之存在更高的冲击地压风险。该矿的西二采区域整体为单斜构造，仰斜开采时覆岩石的俯冲力不断增强，煤层结构以波浪形势变化，使得盈利叠加作用增强，煤层的势能大大提升。与此同时，煤岩体结构的加速滑移有一部分原因是由于西二采区开采方式所导致，为冲击地压的形成提供了条件。此外西二采区二片工作面煤层顶板近30 m的范围是由细砂岩、粉砂岩、中砂岩等较为坚硬的顶板构成，工作面的综合柱状图详见图1。

图1 工作面综合柱状图

2 理论分析

2.1 深孔断顶爆破基本原理

大部分能量在岩体爆破时释放，由于受到大量的动载荷，岩体破碎时受到爆炸产生的应力波与冲击波。分析岩体破碎问题时高压受气体与多种应力的共同作用，同时伴有瑞利波、地震波等多种波的协同等因素[2]。炸药起爆后，在钻孔近区形成冲击波高压超过岩体动态抗压强度，形成破碎区，炸药爆破后岩体形成裂纹在破碎的边界面应力得以释放产生。期间，消耗大部分能量，形成裂隙区，爆破使得岩体的承载力、构造等因素发生改变。应力与弹性势能在岩体中重新分布或得到释放，减弱了煤岩带来冲击性灾害的危险性。

2.2 柱状装药产生的爆炸载荷

爆破采用不耦合装药，可按声学近似原理[3]，则柱状炸药包在岩体中爆炸后，冲击波向外传播透射进岩石能量不断衰减，之后变为应力波，引起岩石中产生径向与切向应力,如果将问题简化为二维问题，则可一步求解得到：

式中：σθ，σr分别表示岩石中的切向与径向应力，单位为MPa；μd表示煤岩体动态泊松比；b表示侧向应力系数，b=μd∕(1-μd)。其中μd是与μ相关的，随应变率的提高而减小。

2.3 爆炸载荷作用下岩石的破坏准则

岩石在工程爆破中受到拉压混合的三向应力，研究表明[4]，破碎区岩石在爆破过程中主要受压缩所致，而裂隙区则是受拉破坏的结果。岩石中任一点的应力强度σi为：

将（1）带入，经整理得：

根据Mises准则，若岩石破坏，则σi满足（4）、（5）。

式中：σ0表示岩石在单轴受力情况下的破坏强度，MPa；σtd、σcd表示岩石单轴动态情景下的抗压程度与抗拉程度，MPa。

据文献[4]可知，σc随着σd的增大而增大对常见的爆破岩石，可近似用表达为：

式中：σc为岩石在静态单轴情景下的抗压程度，MPa；ε̇为加载应变率，s-1。

加载应变率的岩石的动态抗拉强度时几乎不受影响，则在加载应变的范围内岩石工程爆破可以取为岩石静态的单轴抗拉强度。

2.4 破碎区与裂隙区半径计算

当采用不耦合装药且系数较小时，可求得岩石的破碎区半径为Rc，在破碎区外即是裂隙区，根据式（1）~（5），在两者分界面上，求出径向应力σr，结合破碎区之外爆炸载荷以应力波衰减指数β，可得到岩石中裂隙区半径Rp，进而利用公式可得裂隙区在不耦合装药状态下半径表达式为：

炮孔半径与钻机的爆破强度、钻头成孔强度有关，db=47 mm。爆破炸药取ρ0=1.2 g/cm3的煤矿三级乳化炸药，炸药的总质量为1 kg，长度lc=500 mm，半径dc=25 mm，质量，爆速Dv=2.8×103m/s。

根据已有研究[5]选取砂岩性能参数：取μ=0.25为静态泊松比，单轴静态抗压强度σc、单轴静态抗拉强度σt与加载应变率ε̇分别为80 MPa、24 MPa与10 s-1。代入炮孔、炸药及下料道顶板力学参数数据，依据裂隙区半径与爆破破碎区公式，得到裂隙区半径Rp、破碎区半径Rc分别为2 400 mm和200 mm。故设定炮孔间距为4 800 mm。

3 工业实验分析

3.1 钻孔布置方式

将西二采区二片皮带道作为基本顶预裂爆破工业性试验的实验地点，将235 m设置为切眼距离。爆破位置见图2所示。

图2 爆破位置图

钻孔方向与水平面夹角为10°，垂直顶板向上，取直径为ϕ=94 mm。采用药卷长度与直径分别为L=500 mm，ϕ=50 mm，质量1 kg的煤矿三级乳化炸药，利用水泥浆对炮孔进行封堵，待封堵凝固后钻孔依次起爆。依据计算求得：岩石在爆炸后产生裂隙的发育范围为4.8 m。钻孔布置如图3所示，三组钻孔的孔间距分别为3 m、5 m、7 m，在巷道轴向共布置9个钻孔点。其中2、5、8均为爆破钻孔钻孔间隔15 m，剩余都为检验钻孔。

图3 钻孔布置方式侧视图

3.2 爆破效果分析

通过利用YTJ20型钻孔窥视仪观察检验孔两侧的裂隙发育状况在爆破前后的变化从而进一步测定其爆破效果。

3.2.1 钻孔间距3 m爆破效果分析

预裂爆破钻孔药量、装药长度、钻孔深度与封孔长度分别为g=28.25 kg（2装），L=13.9 m，H=31.8 m，L1=17.5 m，检验孔1与检验孔3深度分别为H1=31.2 m，H3=32.6 m。爆破前后对比中：距孔口16 m处、23.8 m处出现的新裂隙分别为5 mm与15 mm，且有向轴向延伸的趋势。除此之外在距离孔口25.4 m、26.5 m、27.7 m、28.6 m、29.7 m、30.3 m和31.9 m处出现宽度为20 mm的裂隙。爆破前后部分对比如图4所示。

图4 爆破前后对比

3.2.2 钻孔间距5 m爆破效果分析

预裂爆破钻孔药量、装药长度、钻孔深度与封孔长度分别为g=28.85 kg（5装），L=15.3 m，H=32.7 m,L1=17 m，检验孔4与检验孔6深度分别为H4=32.4 m，H6=32.9 m。爆破前后对比发现：距孔口分别为20.1 m处、23.8 m处孔壁发现了宽度为5 mm的新增裂隙，分别在25.2 m、26.7 m、27.1 m、28.8 m、29.3 m、和31 m处的孔壁新增宽度为10 mm的裂隙。爆破前后部分对比如图5所示。

图5 爆破前后对比

3.2.3钻孔间距7 m爆破效果分析

预裂爆破钻孔药量、装药长度、钻孔深度、封孔长度分别为g=27.5 kg（8装），L=13.3 m，H=30.9 m，L1=16.1 m，检验孔7与检验孔9分别深H7=31.7 m，H9=32.3 m。爆破前后裂隙发展不明显。爆破前后对比如图6所示。

图6 爆破前后对比

如表1裂隙参数统计所示，为孔间距为3 m、5 m、7 m时，孔壁裂隙发育长度、发育密度等参数通过窥视技术观测的结果。

表1 裂隙参数统计表

由表1分析可知，在钻孔间距不断增大的过程中，裂隙的相关参数都会有所降低。延长爆破作用时间和充分利用爆破能量可通过提高炮孔间距密集程度实现，加强反射波作用，岩体内的应力波能量分布的更均匀且密度更高，理论的计算结果与最终工业实验所呈现结果一致，进一步印证了结果的可靠性。

通过对西二采区二片皮带道进行爆破泄压措施后，对现场进行钻孔，观察其煤粉量，爆破间距为3 m、5 m时均低于临界值，说明西二采区二片皮带道通过爆破方式释放了煤岩体中绝大部分弹性势能，具有较好的卸压效果。

3.3 爆破钻孔间距的确定

综上所述，结合爆破效果、炸药消耗、钻孔工程量应控制在5 m。根据理论分析与工业性实验最终确定的钻孔间距可很好地适用于该矿井西二采区二片工作面回采时的深孔断顶爆破工作，可在有效防止冲击地压的同时减少人力物力消耗，保障回采的安全性，经济性，对矿井的开发具有重要价值。

4 结论

（1）西二采区二片顶板裂隙区半径与破碎区半径分别为2 400 mm与200 mm，则理论炮孔间距可设定为4 800 mm。

（2）结合理论计算与利用钻孔窥视技术现场的工业试验，对比分析在不同间距条件下的孔壁裂隙情况可得，检验孔孔隙各项参数随着爆破孔间距的增大，逐渐减小。

（3）综合考量爆破效果、炸药消耗、钻孔工程量等参数，最终确定爆破钻孔的间距应控制在5 m左右，为该矿后续工作面深孔断顶爆破防治冲击地压工作提供了指导。