薄煤层复合顶板切缝聚能爆破参数试验及确定方法

刘小强　张国锋　唐文胜

摘 要：为获取“坚硬软弱”复合顶板爆破预裂切缝的较好预裂效果，文章通过对小河嘴煤矿2018工作面运输巷现场试验和分析，针对巷道直接顶较软弱、基本顶坚硬的复合岩层条件，试验得到了合理的爆破预裂切缝参数，掌握了这种特殊条件下聚能爆破切缝的方法。结果表明：切缝药包和封泥位置位于软弱岩层中时，由于孔壁裂隙发育，爆破能量易沿孔壁裂隙发生冲楔作用，聚能效果较差；对于坚硬岩层，装药线密度越大，张拉切缝效果越明显，线密度越小，越易出现压裂破坏。

关键词：薄煤层；坚硬软弱复合顶板；爆破预裂切缝；张拉破裂

中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）05-0179-02

随着聚能爆破技术在矿山等地质条件下应用不断成熟，国内外学者在聚能爆破、爆破对支护体的影响以及爆破对巷道顶板损伤等方面做了很多研究，通过数值模拟、相似模拟、现场爆破试验等手段，取得了丰富的研究成果。在地下矿山围岩爆破切缝时，对于硬度分布均匀岩体，爆破时仅需在炮孔内部均匀装药将岩体整体爆破预裂，但是鉴于小河嘴2018工作面上方岩体呈“下部软弱，上部坚硬”的特点，在爆破切缝过程中除了考虑将上部坚硬老顶实现切缝外，还要在工作面巷道施加锚网索补强支护保证顶板下部较为软弱破碎岩层完整。因此在该条件下爆破切缝参数和切缝规律的获得是此类条件下切顶卸压沿空成巷技术实现的关键技术之一，因此具有十分重要的研究意义[1～3]。

1 切缝爆破参数设计方法

1.1 切缝爆破经验总结

首先装药由少到多，并绘制曲线，找出装药临界值；其次与顶板的岩性联系起来，密切关注顶板岩性的变化及时调整装药参数；切缝爆破与超前恒阻锚索支护结合，即先对顶板安装锚索的等支护措施，保护顶板然后再进行切顶。对于岩层浅层存在弱层，应采取减震防爆等措施：轴向不耦合装药，浅部岩层少装药，增加封泥长度等。

1.2 预裂爆破参数试验操作规范及规程

爆破方案需要审批程序，更改后方案必须经过审批才能决定是否继续进行。爆破过程中情况必须及时汇报，避免出现同样问题。

切缝爆破现场试验必须严格按照步骤进行：第一次试验按设计参数药卷60%进行；逐步增加药卷（4～5步）；直到临界药卷，求出临界药卷数；确定药量与切线率关系，如图1所示。

2 爆破切缝工程试验

2.1 工程地质条件

小河嘴煤矿2018工作面平均埋深535 m，工作面走向和倾向长分别为754 m和125 m。 2018工作面主采煤层为K22煤层，煤层平均厚度0.65 m，平均倾角25 °，设计采高0.8 m。直接顶为砂质泥岩，平均厚度2.0 m，夹数层煤线，节理发育；老顶为坚硬的中粒砂岩，厚度35 m，大多为石英或长石组成。

针对小河嘴煤矿2018工作面沿空巷道支护现状及提高采出率，提出了更为先进的聚能预裂爆破切顶卸压无煤柱护巷技术，采用锚网索+恒阻大变形锚索支护巷道。

2.2 试验方案设计

爆破预裂切缝技术核心是确定“坚硬+软弱”顶板爆破预裂切缝方式；其次在爆破预裂切缝前采用恒阻大变形锚索超前加固支护，一方面能够有效的保护巷道顶板，另一方面恒阻大变形锚索高预紧力利于爆破预裂切缝形成双向张拉裂缝。在分析2018工作面工程地质基础上，为了获得爆破预裂切缝最优装药结构及装药参数，设计4种留巷爆破预裂切缝试验参数，如下表所示，以达到切断巷道老顶细砂岩与采空区目的，使得沿空成巷后巷道顶板有效卸压、减小变形，保证巷道满足下个工作面使用。

爆破预裂切缝前巷道加固支护参数及爆破预裂切缝所需其他参数如下。

2.2.1 切缝爆破参数

①在工作面运输巷煤壁侧距顶板1.5 m处沿巷道走向布置1排聚能爆破孔，炮孔间距0.6 m，炮孔深4 m，倾向采空区20 °。

②单孔装2根聚能管，每根聚能管长1 m，每根聚能管按表1各方案装药方式装药，药卷为三级乳化炸药，规格为30 mm×200 mm。

③聚能管内径35 mm，外径41～42 mm，管壁厚2.5 mm。

④单孔装2根聚能管，每2根1 m聚能管间采用透明宽胶带缠绕连接，采用黄泥封堵，单孔封堵长度大于1.5 m，正向起爆。

⑤单孔采用锚杆钻机成孔，钻头使用直径50 mm三翼岩石钻头。

⑥装填聚能管时要求聚能方向要沿着切缝方向，钻孔前要放线，点好钻孔点位，钻孔角度误差5 °左右，采用自制调向杆，保证钻孔布设和聚能方向成一条线。

2.2.2 锚索加强支护参数

①锚索长6.3 m，直径15.24 mm，外露长度300 mm，锚固长不小于1.0 m。采用规格300 mm×300 mm×10 mm的蝶形托盘。

②靠近采空区侧锚索排距1.6 m，巷道中央锚索排距2.4 m，靠近采空区侧锚索距切顶线400 mm。

2.3 爆破预裂切缝效果

由经现场试验可知，当炮孔装药量、封泥长度相同时，爆破预裂切缝后炮孔内裂缝长度随着药卷长度与空气柱长度比值的增大而增大；炮孔内药卷长度与空气柱长度比值的大小直接决定着爆破预裂切缝时炮孔围岩成缝形式，当二者比值达到合理的区间时，岩层才会发生张拉破裂，否则岩层将发生压裂破坏，不能达到满意的切缝效果；炮孔内药卷长度与空气柱长度比值和封泥位置所对应的岩性决定着炮孔是否在爆破预裂切缝过程中出现塌孔以及成缝质量的好坏；当药卷长度与空气柱长度比值较小，且封泥位置对应的岩石硬度较小时，炮孔内将在层理、结构面等软弱破碎处出现塌孔，影响切缝炮孔成缝质量。方案1孔内裂缝率为52%，方案2孔内裂缝率为68%，方案3孔内裂缝率为83%，方案4孔内裂缝率为91%。

爆破预裂切缝后炮孔内裂缝长度随着药卷长度与空气柱长度比值关系曲线，如图2所示。

根据图2可知，当单孔装药量为7个药卷、封泥长度为2 m时，爆破预裂切缝后炮孔内裂缝长度与药卷长度和空气柱长度的比值符合如式（1）的非线性关系，相关性系数为0.9962。

根据上述爆破预裂切缝参数试验结果及分析可知最优爆破参数为炮孔间距0.6 m，炮孔深4 m，倾向采空区20 °。单孔装2根聚能管，每根聚能管长1 m，每根聚能管装药3卷，封泥长度为2 m。

3 结 语

①在爆破预裂切缝试验的过程中，对于上部坚硬、下部软弱的特殊顶板岩层组合形式，核心是使“坚硬”岩层产生有效的符合标准的裂缝，软弱岩层自行垮落，最终形成较好的成巷效果。

②爆破预裂切缝过程中，软弱岩层容易吸收炸药能量。当切缝药包和封泥位置在砂质泥岩或泥岩等硬度较小的岩层时，无论单位装药量多少都会引起塌孔，且成缝效果较差。封泥位置不能在强度较小的直接顶中，否则爆炸冲击波将对孔口造成破坏，形成孔口爆坑，造成邻近支护结构失效。

③最优爆破参数确定：炮孔间距0.6 m，炮孔深4 m，倾向采空区20 °。单孔装2根聚能管，每根聚能管长1 m，每根聚能管装药3卷，封泥长度为2 m。

④通过爆破预裂切缝试验，得到了裂缝长度与药卷长度和空气柱长度的比值的关系曲线及公式。当药卷长度和空气柱总长度为2 m时，装药量7卷、药卷长度和空气柱长度的比值为3.348，能够产生5 m的裂缝，且效果较好。

参考文献：

[1] 张国锋，何满潮，俞学平，等.白皎矿保护层沿空切顶成巷无煤柱开采技 术研究[J].采矿与安全工程学报，2011，（4）.

[2] 刘小强，张国锋.软弱破碎围岩切顶卸压沿空留巷技术[J].煤炭科学技 术，2013，（增）.

[3] 张国锋.切顶卸压沿空成巷机理及关键技术研究[D].北京：中国矿业大 学，2010.