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摘要：针对坚硬难垮落顶板控制问题，根据聚能流侵彻、应力波拉伸和爆生气体气楔作用定向切割使顶板弱化的原理，在分析聚能爆破裂隙起裂扩展条件基础上，设计了深孔聚能爆破顶板弱化方案，并结合现场条件对爆破孔参数进行优化。试验结果表明，聚能爆破弱化了坚硬顶板，缩小了回采工作面初次来压步距，使顶板冒落面积减少近30%，为解决采空区顶板大面积悬顶提供了技术途径。
关键词：聚能爆破；顶板弱化；致裂机理；爆破参数
一、聚能爆破坚硬顶板弱化原理
炸药在岩石中爆破是一个高温、高压、高速的过程，对岩石爆破机理研究主要形成了爆炸应力波破坏理论、爆生气体破坏理论、爆炸应力波和爆生气体共同作用破坏理论，为使坚硬顶板在回采过程中及时垮落，采用了深孔聚能爆破顶板弱化技术。聚能爆破采用聚能装药结构，通过在特定方向积聚能量达到增强破坏作用的目的。炸药起爆后，在爆轰波作用下聚能槽发生强烈压缩，在聚能方向形成一股高速运动的聚能流，切割顶板形成初始导向裂隙，对裂隙的扩展和顶板断裂起控制作用。同时爆轰产物与炮孔壁碰撞生成爆炸应力波，在炮孔径向岩石内产生压应力而环向形成伴生拉应力，由于岩石抗拉强度远低于抗压强度，在环向拉应力作用下岩石发生断裂形成径向裂隙。此外，高压爆生气体膨胀并充满裂隙，气楔作用在裂隙尖端产生应力集中导致裂隙进一步扩展。当爆生气体压力下降到一定程度时，岩石内积聚的弹性能释放，产生向心拉应力导致岩石发生破坏形成环向裂隙。最终聚能爆破作用在炮孔周围顶板岩石内形成较大范围的裂隙网络，由于在聚能方向采用聚能装药结构，聚能效应导致岩石致裂效果显著，裂隙扩展长度明显大于非聚能方向，实现了顶板的定向断裂。
三、聚能爆破坚硬顶板弱化现场试验
1.试验工作面概况
深孔聚能爆破弱化坚硬顶板在某煤矿+206西二采区3212回采工作面进行现场试验。该矿为煤与瓦斯突出矿井，西二采区地质构造比较复杂，为向斜的南翼深部，煤层瓦斯压力为1.65～3.98MPa，瓦斯含量为8.17～11.31m3/t。经过巷道改造，3212工作面平均走向长130m，倾向长340m，试验地点开切眼长87m，所采Ⅰ煤层为石炭二迭系山西组含煤系，平均厚度为3.1m，平均倾角为11°。煤层顶板主要由中粗粒砂岩、细粒砂岩组成，物理力学参数：密度为2712kg/m3，弹性模量为23.74GPa，泊松比为0.209，抗拉强度为4.53～8.24MPa，抗压强度为32.36～82.76MPa，顶板坚硬，回采过程中容易导致大面积悬顶。
2.试验数据
根据聚能爆破设计方案并结合现场实际条件，对聚能爆破孔参数进行优化，在+206西二采区3212回采工作面共布置9个爆破孔，编号依次为1～9号。各爆破孔开孔点距离巷道底板1.5m左右，其中1～7号爆破孔布置在开切眼，终孔点与煤层垂直距离为10m，8号和9号爆破孔布置在工作面回风巷，终孔点与煤层垂直距离分别为8m和10m。
3.试验过程控制
爆破孔成孔后及时进行装药，现场试验采用PVC管装药，PVC管外径为50mm，药卷为乳化炸药，装药直径为45mm，引爆方式为正向起爆。为减少送药阻力，在首根PVC管顶端安装导向梭。同时为确保安全起爆，电雷管采用串并联连接方式，药卷之间彼此接触，连线后送入爆破孔并及时导通。此外为实现顶板的定向切割，装药时聚能装药聚能方向垂直于煤层顶板。
封孔是现场试验的关键环节，由于爆破孔仰角较大导致封孔困难，为提高封孔质量，采用砂管和黄泥联合封孔。爆破孔里段利用装满黄砂的PVC管进行填塞，并在砂管外侧缠一定数量的聚氨脂以固定砂管；在爆破孔外段利用炮棍送黄泥卷并捣实，确保具有足够抵抗力。封孔完毕后再次对爆破线路进行导通，确认正常后进行撤人、警戒并起爆。
4.顶板弱化效果分析
（1）工作面初次来压分析
未实施顶板弱化的工作面回采至32m顶板初次来压，冒落面积约3000m2，而3212工作面采取深孔聚能爆破顶板弱化措施后，回采至24.42m时顶板初次来压，冒落面积约2125m2，初次来压步距提前了7.58m，冒落面积减少了875m2。初次来压期间工作面支架压力峰值为32.8MPa，未超过报警值40MPa，而且工作面稳定，未出现大面积片帮、压垮推倒支护等现象。
分析认为，在3212工作面回采前，深孔聚能爆破在顶板内产生大量裂隙，破坏了顶板的完整性。在工作面回采过程中，借助支承压力的预裂作用，促进了坚硬顶板在采空区及时垮落，缩小了回采工作面初次来压步距，避免了大面积悬顶。此外，与普通非聚能装药爆破相比，聚能爆破能够实现顶板的定向切割，有利于顶板分块垮落，减弱了工作面初次来压强度，为工作面安全生产提供了保障。
（2）工作面周期来压分析
根据3212邻近工作面初次来压步距与周期来压步距之间的关系，预计3212工作面周期来压步距为12m。3212工作面回采37m时，根据预测值工作面处于第一次周期来压阶段，现场实际观测发现，工作面后方采空区未出现大面积悬顶。工作面回采50m时，根据预测值工作面再次处于周期来压阶段，工作面压力未出现较大波动，采空区顶板没有大面积悬顶现象。
由于沿煤层倾向深孔聚能爆破顶板弱化控制距离为33m，包括整个初次来压步距和第一次周期来压步距的一部分，聚能爆破改变了工作面来压步距，受爆破弱化作用的影响，整个回采工作面周期来压不明显，导致采空区坚硬顶板随采随落，避免了工作面煤壁大面积片帮等压力显现现象。
结论
（1）针对坚硬难垮落顶板特点，采用深孔聚能爆破技术，使聚能流侵彻顶板生成导向裂隙，爆炸应力波和爆生气体压力联合作用促进裂隙扩展贯通，形成了坚硬顶板定向断裂新的方法。
（2）对裂隙起裂扩展条件的研究，建立了聚能爆破岩石断裂力学模型，进一步解释了聚能流侵彻作用使岩石致裂及裂隙在聚能方向上优先发育的原理，为深孔聚能爆破控制坚硬难垮落顶板提供了理论依据。
（3）煤矿深孔聚能爆破顶板弱化现场应用不仅改变了回采工作面矿压显现特征，而且使坚硬顶板的垮落得到控制，初次来压步距减少7.58m，顶板冒落面积减少近30%。利用聚能爆破对坚硬顶板实施弱化具有一定优势。
参考文献：
［1］靳钟铭，徐林生．煤矿坚硬顶板控制［M］．北京：煤炭工业出版社，2014．
［2］伍永平，李开放，张艳丽．坚硬顶板综放工作面超前弱化模拟研究［J］．采矿与安全工程学报，2009，26（3）：273－277．
论文作者:张强
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/9/17
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