深孔爆破预裂厚硬顶板在沿空留巷中的应用

侯晓琛

（山西洪洞西山光道煤业有限公司，山西 临汾 033400）

0 引言

我国煤炭资源储量十分丰富，在多年的煤炭开采过程中，许多开采问题制约着矿井的正常开采，坚硬顶板则是制约矿井开采最为重要的原因之一。为保证巷道稳定性，许多煤矿采用增大护巷煤柱的方法进行支护，这使得煤炭资源浪费较为严重。为了解决坚硬顶板问题，众多学者对其进行治理研究，目前针对坚硬顶板问题主要的治理措施有爆破切顶卸压、水力切顶卸压、静力切顶卸压，每种切顶卸压方法均具有各自的优势。爆破切顶卸压作为最为常见的卸压方式，其具有操作简单、施工方便的优点[1-2]，但在普通爆破过程中，爆炸能量向四周扩散，爆轰压力均匀施加于炮孔壁，使得大部分能量直接作用于破碎岩体，造成破碎区范围深度浅、范围广的现象，未能达到理想效果[3]。因此本文基于传统爆破提出聚能爆破切顶卸压法，有效解决了传统爆破卸压存在的不足，为矿井坚硬顶板问题的解决提供参考。

1 数值模拟

聚能爆破是指在传统爆破的基础上，经人为设定使得爆破能量沿着指定方向流通，在顶板位置形成聚能流，将聚能流集中在预先设定的方向上，此时聚能爆破能源传播则会具备传统爆破不具备的定向性，有效地减小了粉碎区的半径，使得顶板沿着指定方向进一步发育，有效增加了裂隙发育区范围，实现了顶板定向断裂，达到了切顶卸压的目的。为了实现聚能爆破效果的最佳化，对聚能爆破切顶卸压的参数进行优化研究。

根据相关研究可知，炸药爆破产生的冲击波和爆轰气体共同作用于岩石，在外力的作用下，此时岩石裂纹发育、扩展。而冲击波在岩体裂隙扩展过程中起到促进裂隙发育的作用。选用ANSYS 数值模拟软件进行模拟研究，根据岩体连续、各项同性、弹塑性的假设，选择MAT_PLASTIC_KINEMATIC 来模拟岩石材料。岩石的力学参数为：密度2 600 kg/m3、泊松比0.15、切线模量3.5 GPa、抗压强度60 MPa、抗拉强度10 MPa、屈服模量36 MPa。炸药采用二级乳化炸药，模型设定的参数为聚能罩采用锥形，夹角60°，炮孔直径70 mm，径向的不耦合系数1.6，介质为空气，分别模拟不同炮孔间距下的爆破效果，选定爆破间距分别为0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m 和1.4 m。炮孔间距为1.2 m 的应力云图及不同间距下压力情况如图1 所示。

图1 炮孔间距1.2 m 应力云图及不同炮孔间距下压力曲线

根据图1 模拟结果可知，不同炮孔间距下压应力分布情况较为相似，当炮孔间距过大（1.4 m）时，此时的炮孔中心线未达到应力的叠加，且未贯穿，而当炮孔间距较小时，压应力叠加区域逐步增大。观察不同炮孔间距下压力曲线可知，监测点大多压力随时间的增大呈现先增大后减小的趋势，形状类似“三角形”。炮孔间距越大，此时测点压力峰值则越小，且测点达到峰值时间呈现增大趋势。当炮孔间距设定为0.6 m时，此时压力峰值约44.6 MPa；增大孔间距至0.8 m时，压力峰值为41.2 MPa；间距增大为1.0 m 时，压力峰值约37.5 MPa；间距为1.2 m、1.4 m 时，压力峰值分别为31.5 MPa 和25.2 MPa。考虑到聚能爆破切顶目的是达到炮孔间裂隙贯通，需要两炮孔之间趋于裂隙基本贯穿，同时又将爆破消耗降到最低，所以当炮孔间距为1.4 m 时，此时的爆破效果不佳，未达到孔间贯通，孔间距小于1.2 m 时，此时岩体破碎严重，裂隙发育明显，爆破消耗较大，所以聚能爆破最佳炮孔间距选定为1.2 m 较为合适。

对不同炮孔直径下的爆破效果进行分析，爆破直径分别选定为50 mm、60 mm、70 mm、80 mm 和90 mm。对不同装药直径下的应力峰值进行分析，所得压力分布情况如图2 所示。

图2 不同炮孔直径下压力曲线

从图2 可以看出，不同炮孔直径下监测点的压力同样呈现出先增大后减小的趋势，曲线呈“三角形”分布。应力峰值随着炮孔直径的增加呈现逐步增大的趋势，且随着直径的增大，测点达到应力峰值的时间也随之增加。当设定的炮孔直径为50 mm 时，岩石的压力峰值为28.2 MPa；而当炮孔直径增大至60 mm 时，此时的岩石压力峰值约为33.2 MPa，均未达到最大动态抗拉强度，所以此时的裂隙未完全扩展，爆破未达到要求。当设定炮孔直径为70 mm、80 mm 和90 mm 时，岩石的压力峰值均大于最大动态抗拉强度35 MPa，能够满足爆破要求，同时综合考虑爆破成本，最终确定炮孔直径为70 mm。

对不同径向不耦合系数下岩石的爆破效果进行分析，选择径向不耦合系数分别为1.2、1.4、1.6、1.8 和2.0 进行研究，不同径向不耦合系数下岩石应力分布曲线如图3 所示。

图3 不同径向不耦合系数下压力曲线

从图3 可以看出，不同径向不耦合系数下，整体压力分布情况类似，均呈“三角形”分布，随着时间的增大，压力呈现先增后减的趋势。同时随着径向不耦合系数的增大，岩石内部压力峰值呈现先增大后减小的趋势，同时观察不同径向耦合系数下压力峰值出现的时间可以看出，径向不耦合系数越大，峰值出现的时间越晚。当径向不耦合系数为1.2～1.6 时，岩石的压力峰值从小到大依次为36 MPa、40 MPa、45 MPa，此时压力峰值能够达到最大动态抗拉强度，此次的裂隙充分发育和扩展满足爆破要求。而当径向不耦合系数增大为1.8 和2.0 时，此时的压力峰值为35 MPa 和27 MPa，压力峰值有了明显的下降，所以最佳径向不耦合系数为1.6。

2 工业化试验

根据模拟结果进行工业化试验，在工作面回风顺槽进行聚能预裂爆破。根据顶板岩性，并结合模拟结果，确定钻孔孔径为48 mm、外径为40 mm、聚能管壁厚为1.8 mm、钻孔间距1.2 m、深度为6 m。完成爆破后，对巷道表面位移进行监测，对沿空留巷围岩变形量进行监测。在开切眼每隔10 m 设置1 个测站，运用十字交叉法监测巷道顶底板及两帮的变形情况，巷道围岩变形情况如图4 所示。

图4 巷道围岩变形曲线

从图4 可以看出，在无聚能爆破时，顶板变形量及两帮移进量随距工作面距离的减小呈现出减小的趋势。在距离工作面后方200～500 m 时，顶板变形量及两帮移进量变化趋势较缓，而在工作面后方0～100 m时，变形量变化幅度急剧增加；在工作面后方500 m位置，顶板变形量及两帮移进量均达到最大值，最大值分别为309 mm 和702 mm。通过聚能爆破后，顶板变形量及两帮移进量变化趋势无较大变化，但顶板变形量及两帮移进量分别减小为169 mm 和450 mm，顶板下沉量较未切顶前减小了281 mm，减小幅度为62.4%，两帮移进量减小252 mm，减小幅度为35.8%。由此可以看出，经过聚能爆破切顶卸压可以达到顶板弱化效果，有效控制围岩变形，保障了巷道稳定性。

3 结论

1）通过对不同炮孔间距下测点压力峰值进行分析发现，随着炮孔间距的增大，压力峰值逐步增大，达到峰值的时间也增大，最佳炮孔间距为1.2 m。

2）对不同装药直径下应力峰值进行分析。不同炮孔直径下监测点的压力同样呈现出先增大后减小的趋势，最佳炮孔直径为70 mm。

3）随着径向不耦合系数的增大，岩石内部压力峰值呈现先增大后减小的趋势，最佳径向不耦合系数为1.6。

4）经过工业化实践发现，经过聚能爆破，巷道顶板下沉量及两帮移近量有了明显的降低，达到了弱化顶板的目的。