双向聚能爆破预裂技术在沿空留巷中应用

王海锐

（山西焦煤霍州煤电集团公司店坪煤矿，山西 吕梁 033100）

0 引 言

无煤柱工作面在回采过程中受回采应力影响，沿空留巷顶板出现破碎、下沉、冒落现象，为了保证工作面安全高效回采，必须对沿空巷道顶板实施超前预裂，切断留巷巷道顶板与采空区直接顶、基本顶的联系，削弱留巷过程中采空区顶板对留巷顶板的应力传递，保证采动影响区域留巷巷道的围岩稳定；本文以霍州煤电吕梁山煤电有限公司店坪煤矿9-204工作面为例，对沿空巷道提出了双向聚能爆破预裂技术技术，并根据巷道顶板煤岩性情况，对爆破参数、爆破工艺分析对比及优化，从而达到预期爆破预裂效果。

1 概 述

店坪煤矿9-204工作面位于830水平南翼，工作面标高：+828-+930，埋深174～369m。工作面北部为202工作面，东部为实煤区，南部为206工作面，西部为830水平大巷，如图1所示。

204工作面工作面回采煤层为9#煤层，平均厚度为3.1m，平均倾角为4°，属于缓倾斜煤层，煤层相对稳定，煤层内含有多层夹矸，且以砂质泥岩为主，厚度为0.2～0.35m。9-204工作面采用切顶卸压自成巷技术，设计留巷巷道为2042巷，设计留巷长度为1644m。

图1 店坪煤矿9-204工作面平面布置示意图

店坪煤9-204工作面顶板及应力条件极为复杂，工作面直接顶为泥岩，危险区段风化软化破碎严重，顶板岩性分布：自顺槽顶板起向上依次为泥岩、砂质泥岩及中粒砂岩等，根据矿方原有资料显示：直接顶泥岩为泥质胶结、抗压强度较低。根据9-204回风巷掘进期间顶板揭露情况可知，巷道顶板局部存在破碎严重的特殊地质条件，且巷道埋深较大，围岩应力高这都增加了爆破难度。若是采用常规爆破手段，势必造成巷道顶板的大面积破坏，甚至出现冒顶等严重事故的发生，通过研究决定采用双向聚能爆破预裂技术。

2 双向聚能爆破预裂技术原理及优点

2.1 技术原理

双向聚能爆破预裂技术，主要采用具有聚能效果的特殊装置—聚能管，此装置能够在聚能爆破的同时起到保护顶板完整性的作用，且同时使爆生物产生的应力波沿着设定方向聚集并传递，顶板岩石的抗压强度较低，其抗拉强度将会更低，这势必会加速应力在顶板岩石中的传递，在岩石张拉成型过程中，高集中程度的拉应力破除了围岩高应力的阻碍，加速了顶板岩石的预裂成型，使顶板岩层预裂成一切缝面，达到设计方案要求，如图2所示。

图2 双向聚能爆破预裂技术原理图

2.2 技术优点

与传统的炮孔切槽爆破、聚能药包爆破及切缝药包爆破等控制爆破技术相比，双向聚能拉张成型控制爆破主要具有以下优点：

1）钻孔工程量小：利用了岩体高压低拉的特性，相应加大了炮孔间距，在同等爆岩方量上减少了炮孔钻进工作量。

2）围岩破坏性低：最大程度地保护了围岩，减少围岩受炮震、冲击波及爆生气体作用，大大地减少了围岩损伤，提高工程岩体的支护稳定性。

3）成本费用低：炸药单耗少，综合成本低，经济和社会效益显著；

4）操作施工简单：双向聚能爆破预裂技术无需改变原有钻爆操作工序，只需在周边眼中采用双向聚能装置装药即可，其它炮眼装药结构不变，操作工艺简单，易于在现场推广使用。

3 双向聚能爆破预裂施工方案选择及效果分析

3.1 施工方案选择

顶板预裂爆破效果直接影响着切顶卸压自成巷的效果，为了掌握双向聚能爆破预裂最佳装药结构及装药参数、切断沿空巷道顶板与采空区上覆岩层的应力传递、最大限度地减小沿空巷道顶板下沉量、降低巷道顶板压力，店坪煤矿决定通过现场试验合理确定爆破预裂施工方案。现场试验方案：首先根据前期顶板窥视结果，进行连孔爆破试验，确定连孔最佳装药量及最佳空气柱的长度，确定一次最佳起爆爆破孔的个数。

1）方案一：爆破钻孔与沿空巷道走向布置，钻孔深度为8.0m，钻孔间距为5.0m，与铅垂线夹角为15°（向煤壁侧方向），每个钻孔安装4根长度为2.0mPVC聚能管，钻孔内采用“3+2+2+2”装药方式，如图2所示，每卷乳化炸药规格为φ30×300mm，单孔装药量为2.7kg，一次允许起爆炮孔数量为4个。

图3 方案一双向聚能爆破装药量及装药结构示意图

2）方案二：爆破钻孔与沿空巷道走向布置，钻孔深度为9.0m，钻孔间距为5.0m，与铅垂线夹角为17°（向煤壁侧方向），每个钻孔安装5根长度为2.0mPVC聚能管，钻孔内采用“3+2+3+2+1”装药方式，如图4所示，每卷乳化炸药规格为φ30×300mm，单孔装药量为3.3kg，一次允许起爆炮孔数量为5个。

图4 方案二双向聚能爆破装药量及装药结构示意图

3）方案三：爆破钻孔与沿空巷道走向布置，钻孔深度为9.0m，钻孔间距为5.0m，与铅垂线夹角为19°（向煤壁侧方向），每个钻孔安装5根长度为2.0mPVC聚能管，钻孔内采用“4+3+4+3+2”装药方式，如图5所示，每卷乳化炸药规格为φ30×300mm，单孔装药量为4.8kg，一次允许起爆炮孔数量为6个。

图5 方案三双向聚能爆破装药量及装药结构示意图

以上三种不同方案切缝参数试验后，对试验孔顶板影响程度及采用窥视仪对试验爆破孔围岩破裂情况观察发现，采用第三种方案后，位于沿空巷顶板往上6.0m～9.0m段岩体裂隙发育率达85%，巷道顶板成型稳定性好，受爆破施工影响小，爆破距离超前工作面30m可达到最佳状态，所以204工作面沿空巷决定采用第三种双向聚能爆破预裂施工方案

3.2 应用效果分析

1）截止 2019年 3月，9-204工作面已回采600m，沿空巷共计爆破施工70个双向聚能预裂孔，通过爆破后对沿空巷顶板下沉情况及采空区垮落效果观察发现，采用双向聚能爆破预裂施工后，巷道坚厚顶板按设计方向实现了破裂效果，随着工作面推进垮落，形成短臂梁，填充密实，杜绝了因悬顶造成顶板下沉量增大，帮臌量增大等现象；

2）204工作面在回采过程中在沿空巷形成超前应力区（0～30m）、架后破坏区（采空区 0～100m），成巷稳定区（采空区100m后）三个围岩应力区，采用

双向聚能爆破预裂技术后切断了顶板应力传递现象，使超前应力区顶板最大下沉量控制在0.17m以下，顶板采用大变形恒阻锚索进行维护即可；架后破坏区顶板下沉量相对增大，最大下沉量为0.22m，采用“大变形恒阻锚索+单体液压支柱（不戴帽）+U型钢可缩支柱紧压菱形网”联合支护可对巷道围岩进行维护；在成巷稳定区内，巷道围岩应力趋于稳定，顶板最大下沉量控制在0.1m以下，且可逐渐回收单体柱。

4 结 论

1）双向聚能张拉爆破过程中，在较弱的岩层中，应控制装药量，否则孔内出现塌孔，在较硬的岩层中，应加大装药量，保证能够出现标准的裂缝。

2）当直接顶较薄，切缝进入老顶时，切缝对上方未贯穿岩层的拉裂作用将对老顶破断产生一定的影响。直接顶较厚，切缝未进入老顶时，将不会对老顶破断产生影响。

3）当切缝未影响老顶破断时，与未切缝相比，切顶后上覆岩层垂直活动空间减小，破断岩层总数及未破断岩层下沉量减小，减小下位岩体承担的荷载，有利于切顶成巷稳定性控制。