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(1.中國礦業(yè)大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.首都經(jīng)濟貿易大學 會計學院，北京 100070；3.山西焦煤西山煤電集團公司官地煤礦，山西 太原 030000)

2008年，何滿潮院士提出“切頂短壁梁”理論，摒棄了以往的121長壁采煤法，形成了全新的“110工法”[1，2]開采體系。煤炭井工生產(chǎn)切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術由此得以實現(xiàn)。其技術原理是通過人工縮短巷道頂板懸臂梁的長度，切斷部分巷道頂板的應力傳遞路徑，從而減輕回采動壓對采空區(qū)附近煤體的影響。在回采巷道將要形成的采空區(qū)側運用定向預裂技術截隔頂板，待工作面回采后，緊鄰切縫線的采空區(qū)矸石沿預裂位置垮落形成一側巷幫，原有巷道在采空區(qū)矸石的支撐力以及恒阻大變形錨索的錨拉作用下得以保留，保留的巷道將為下個工作面繼續(xù)服務。其中，成功留巷的關鍵之一便是雙向聚能拉張爆破。本文以官地煤礦12605工作面為工程背景，對該工作面切頂卸壓[3]過程中爆破參數(shù)的選擇進行分析，結合理論研究和現(xiàn)場試驗，探索得到適合官地煤礦12605工作面的最優(yōu)爆破參數(shù)，對保證110工法的安全推進有重大意義。

1 工程概況

官地煤礦屬山西省太原市萬柏林區(qū)，位于西山煤田。礦井井田含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤14層，礦井年核定生產(chǎn)能力500萬t。煤炭主要產(chǎn)品為貧瘦混煤、電精煤、噴吹煤。

12605工作面屬南六采區(qū)2#煤層，1051水平。工作面東北側為12603工作面，與該工作面相距23m，西南側為未采區(qū)。煤層平均厚度2.4m，埋深215～416m，煤層傾角5°，平均采高2.4m。正巷設計長度為931m，留巷長度730m。切眼設計長度為220m，斷面形式為矩形斷面。巷道跟直接頂跟底掘進，坡度范圍4°～9°。12605工作面布置圖如圖1所示。煤層上覆巖層依次為0.6m的炭質泥巖、6.34m的砂泥巖互層以及2.05m的中粒砂巖，底板巖層為0.6m的泥巖和10.37m的中粒砂巖，該工作面頂板屬于復合頂板。其工程地質剖面圖如圖2所示。

圖1 12605工作面布置示意圖

圖2 12605工作面工程地質剖面圖

2 雙向聚能拉伸爆破技術

2.1 切縫原理

切頂卸壓沿空留巷[4-9]得以實現(xiàn)的關鍵環(huán)節(jié)在于雙向聚能拉伸爆破技術的應用。聚能預裂爆破原理如圖3所示。以聚能管的圓心為點O，通過點O在其沿Z軸方向上存在兩排過直徑的點狀圓形聚能孔。雙向聚能裝置由一定強度的管材經(jīng)過特制加工而成，雙向聚能裝置強度在使用過程中可針對爆破巖體巖性的差異及其結構特點而進行調整。

圖3 聚能爆破原理示意圖

在聚能管裝藥引爆后，爆炸產(chǎn)生的部分應力波和爆炸能沿Y軸方向先從聚能孔中釋放，對該方向上的周圍巖體[10]造成沖切破壞。同時其余部分的能力流對X軸正負方向形成集中壓力，使得X軸方向上的巖體受到擠壓，而Y軸方向兩側的巖體卻受到拉力作用，利用巖體耐壓怕拉的特性，巖體最終在聚能孔方向形成了一定深度范圍的裂隙。

以官地礦12605工作面切頂卸壓沿空留巷開采技術為例，采用雙向聚能爆破預裂方式在12605主運巷頂板與采空區(qū)頂板交接線進行預裂切縫，從而切斷采空區(qū)與巷道之間部分范圍內的應力聯(lián)系。待工作面推過后采空區(qū)頂板巖層沿預裂切縫形成的預裂面垮落，結合巷旁支護技術形成采空側巷幫。這樣既解除了留巷的高應力威脅，又保證了留巷頂板的完整性，從而達到成功留巷、安全留巷的目的。

2.2 爆破參數(shù)確定

2.2.1 切縫深度

預裂切縫深度(H縫)臨界設計公式如下：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

式中，H煤為煤層采高，m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為采空區(qū)頂板巖層碎脹系數(shù)，一般為1.3～1.5。

泥巖碎脹系數(shù)1.4，砂巖碎脹系數(shù)1.3，根據(jù)12605工作面頂板巖性分布可知，切頂范圍內泥巖占比約40%，砂巖占比約60%，通過加權平均計算得采空區(qū)頂板垮落后巖石碎脹系數(shù)k=1.34。同時該巷道頂板下沉量不大，且無明顯底鼓顯現(xiàn)，煤層厚度取2.4m，在保留足夠的安全系數(shù)情況下，切縫深度確定為7m。

2.2.2 切縫角度

切縫角度的選擇是影響留巷頂板穩(wěn)定性的關鍵因素。垂直頂板切縫情況下，切縫工程量最小。但同時會導致頂板受采空側影響大。在相互摩擦力、擠壓力的作用下，采空區(qū)頂板垮落困難。同時巷道頂板產(chǎn)生沉降變形較大，采空區(qū)垮落碎脹的矸石無法為巷道頂板提供有效的支撐力，不利于巷道頂板的維護管理。隨著切縫孔與頂板垂線的夾角增大，巷道頂板與采空側頂板之間的相互影響減小，兩者之間的應力傳遞減弱。但是角度繼續(xù)增大，又會導致鉆孔深度的增加，工程量、工程費用的提高。與此同時，巷道頂板巖層的懸臂端長度增加，又對頂板的變形控制帶來很大的挑戰(zhàn)。因此，合理的切縫角度選擇顯得極為關鍵。

根據(jù)官地煤礦12605工作面復合頂板巖性條件及以往切頂卸壓沿空留巷的工程經(jīng)驗，在保證采空區(qū)頂板順利垮落，同時采空區(qū)矸石可以為切頂巷道提供足夠的支撐力情況下，該工程切縫孔布置在巷幫與頂板夾角處，與鉛垂線夾角為15°。頂板預裂切縫設計如圖4所示。

圖4 頂板預裂切縫設計示意圖(mm)

2.2.3 切縫孔間距

切縫孔的間距直接決定了爆破切縫的效果，是切頂卸壓環(huán)節(jié)中最為重要的一部分。炮孔間距不宜過小，間距過小會導致工程量的增加。當炮孔間距過大時，爆轟波無法貫通兩鉆孔之間的平面。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，本次切頂卸壓過程中布置在切縫線上的切縫孔間距確定為500mm。

3 爆破參數(shù)試驗研究

3.1 試驗方案

切頂卸壓沿空留巷過程中使用雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42mm，內徑為36.5mm，管長1500mm。聚能爆破采用三級煤礦乳化炸藥，炸藥規(guī)格為直徑Φ32mm×200mm，爆破孔口采用炮泥封孔。具體裝藥參數(shù)需通過現(xiàn)場試驗確定。

根據(jù)切縫范圍內頂板巖性特征，結合以往切頂卸壓聚能爆破的工程經(jīng)驗采用3種裝藥方式確定最終裝藥爆破方案，三種裝藥方式的切縫強度依次減弱，具體方案見表1。在孔深7m的切縫孔內共安裝4根聚能管，聚能管的安裝順序由孔頂?shù)娇椎滓来螢?.5m、1.5m、1.5m、0.5m。裝藥量分別選擇為“4+3+2+1”、“3+3+2+1”、“3+2+2+1”。裝藥順序為從孔頂?shù)娇椎?，為防止吹孔，在留有一定的安全系?shù)情況下，炮孔的封泥長度全部確定為2m。3種爆破方案的詳細爆破裝藥結構如圖5所示。

表1 切縫孔裝藥方案

圖5 聚能爆破裝藥結構示意圖

3.2 試驗結果分析

爆破后，使用CXK6礦用本安型鉆孔成像儀對炮孔內裂隙情況進行窺視。CXK6礦用本安型鉆孔成像儀可以直觀地觀測到鉆孔內的各種結構構造，而且具有將整個鉆孔進行成像并展開成平面圖的優(yōu)點，方便后期對鉆孔內裂隙發(fā)育情況進行詳細分析。三種爆破參數(shù)下的鉆孔窺視結果如圖6所示。

圖6 爆破后裂縫窺視情況圖

1)在“4+3+2+1”裝藥方式下，放炮后炮孔內巖層較為破碎，且出現(xiàn)塌孔，在孔底有局部掉頂?shù)那闆r發(fā)生。對巷道頂板完整性具有一定程度的破壞，不利于后期恒阻錨索的施工，如圖6(a)所示。

2)在“3+3+2+1”裝藥方式下，鉆孔孔內裂縫發(fā)育明顯且充分，裂縫率高達87%。且孔口完好，對恒阻大變形錨索的安裝施工，以及發(fā)揮恒阻效果不構成影響，如圖6(b)所示。

3)在“3+2+2+1”的裝藥方式下，裂縫發(fā)育不明顯，裂縫細小。經(jīng)統(tǒng)計計算得出縫率為71%，裂縫率低，不符合設計方案要求達到的爆破效果，如圖6(c)所示。

通過對比以上三種方案可以看出，“3+3+2+1”的裝藥方式既可以滿足切縫爆破裂縫率的要求，同時藥量恰到好處，對巷道頂板的破壞較小，對后期切縫側恒阻錨索的施工不會帶來影響。

4 結 論

1)聚能爆破是切頂卸壓沿空留巷能夠實現(xiàn)的關鍵環(huán)節(jié)，通過該項技術可以實現(xiàn)對巷道頂板有效切割，在不破壞頂板完整性情況下，切縫面貫穿且處于同一平面。

2)通過工程經(jīng)驗和現(xiàn)場實驗，在爆破孔深7m、炮孔間距500mm的情況下，最終爆破裝藥量為“3+3+2+1”，與豎直方向成15°角。

3)裝藥量為“3+3+2+1”的爆破方式下，裂縫率達到了87%，裂縫發(fā)育明顯，且其余位置頂板完整，完全滿足正常生產(chǎn)需求。