回撤通道防冲断顶爆破设计方案优化及应用

白俊杰

(1.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017300)

冲击地压工作面末采期间的采动应力与回撤通道煤柱集中应力相互叠加，增加了末采阶段冲击地压防治的复杂性[1，2]。顶板爆破作为一项重要的冲击地压治理技术手段，国内已有较多研究成果。武善元[3]等基于四周固支岩梁模型，理论计算未切顶前顶板初次垮落和周期垮落步距，对复合灰岩爆破切顶方案进行了研究，解决顶板大跨度悬顶问题；赵晋军[4]采用超前深浅孔相结合的松动爆破技术，对工作面初采期间的顶板进行弱化处理，有效缩短了来压步距；王金鑫[5]深孔预裂爆破采用深孔预裂爆破技术对综放工作面坚硬顶板进行弱化处理，缩短了来压步距，并提高了初采期间的顶煤回收率；窦林名[6]等认为爆破形成的弱面是控制冲击关键，对减弱顶板动载强度、降低煤体高静载有重要意义。赵善坤[7]利用mises有效应力指标对弱化顶板完整性、降低高静载，使其不具备积聚弹性变形能进行了研究，实现冲击地压的防控。前述研究均集中在爆破对顶板岩石完整性致裂、改善垮落效果，降低顶板动载的问题。但纳林河二号矿井实践证明：末采防冲顶板处置方案更注重对高应力传递路径的阻断和对回撤通道的保护作用。基于此，笔者对回撤通道防冲断顶爆破设计方案进行分析、优化，证实了“高+低位”爆破方案具有爆破尺度更大和爆破致裂破碎更充分两个方面的特点，对应力传递路径进行全面提前阻断[8，9]，且应力传递阻隔带内的应力水平更低、应力变化梯度更小，形成的阻断、保护作用更强。这为今后类似条件下的顶板处置方案设计提供了值得参考的技术思路。

1 工作面概况

纳林河二号矿井31120、31103-2工作面布置在3-1主采煤层，埋深约600m，煤层厚度5.5～5.8m，煤层倾角1°～3°，结构简单，硬度f=1.6。煤层上方伪顶为泥岩，厚度0～0.5m；直接顶为砂质泥岩、细粒砂岩，厚度8～10m；基本顶以细砂岩、粉砂岩为主，厚度10～13m；上覆多层坚硬、厚砂岩层，回撤通道顶板取芯结果显示，各层位岩层致密、层面整合。

工作面长度300m，按双回撤通道布置[10]，主、辅回撤通道之间留设煤柱宽度25m，如图1所示，均采用“锚网索”联合支护，末采前在主回撤通道布置两排ZZ18000/25/50垛式支架加强支护。

图1 双回撤通道布置

2 末采阶段顶板冲击问题原因分析

2.1 末采面临的冲击问题

经鉴定及评价，3-1煤层的煤层和顶板岩层均具有强冲击倾向性，末采阶段冲击危险等级为强。因双回撤通道内煤柱的存在，导致工作面末采期间形成“孤立煤体”，末采期间变形破坏严重[11]，已回采结束的工作面在末采阶段回撤通道内煤体钻孔应力计出现3～5处以上红色大面积预警，且104J及以上的微震能量事件发生较频繁，造成末采期间具有极高的冲击危险性[12，13]，严重制约安全回采贯通。

2.2 冲击问题分析

末采阶段随着回采，本工作面采动应力经上覆岩层向回撤通道煤柱传递，导致采动应力与回撤通道煤柱集中应力相互叠加，最终回撤通道煤柱应力呈现高度集中。因此有必要从应力阻断和正面保护回撤通道的角度，对上覆岩层介质状态和应力环境进行干预。

2.3 高应力传递模型

断顶爆破后在覆岩形成应力传递阻隔带，实现对采动压力传递的阻断，对主回撤通道、孤立煤柱形成卸保护的作用，采动压力向更高、更广的范围传递，减缓了应力集中，如图2所示。

图2 爆破后高应力传递路径的调整模型(m)

3 顶板爆破理论分析

3.1 单孔爆破致裂破碎范围分析

根据现有爆破理论[14，15]，炸药爆破后，从爆破源向外依次形成压碎区、破裂区和震动区。由于爆破无自由面情况下进行的，不耦合装药时，可以按爆炸应力波计算单孔爆破的破裂区范围，装药爆破后作用于孔壁上径向应力峰值，即初始冲击压力Pr为：

将表1中相关参数代入式(1)进行计算，Pr=3473MPa。

爆破相关参数见表1，将表1相关参数代入式(2)计算得：R=4.38m。

表1 爆破相关参数

上述公式计算过程中忽略了爆破产生气体的准静态膨胀、裂隙空间的楔入作用，另外爆破引起的岩体完整性下降和强度损失也不仅仅局限于破裂区范围内，破裂区以外应力波的损伤作用以及震动效应同样可以削弱岩体的完整性和强度，依据高温、高速爆生气体和应力波耦合作用的原则，综合预裂增大系数K=1.3，则单孔爆破岩体的最远裂隙发育范围R′=k×R=5.69m。

采用CXK12(A)矿用本安型钻孔成像仪进行窥视，距离爆破孔3.3m处布置平行检测孔，纵向、横向裂缝均有发育，孔壁极为破碎，如图3所示，爆破后相邻爆破孔之间裂隙贯通。

图3 爆破模型及窥视结果

回撤通道深孔爆破的间距按10m布置比较合理，爆破后相邻爆破孔之间裂隙贯通。

3.2 “高+低位”孔串联一次起爆应力波叠加效果

串联一次起爆，产生的爆破应力波相互叠加[16，17]，对爆破影响区域岩体产生超强度压力，应力波经反射作用[18]，在短时间内对岩体形成反复压缩、拉伸作用，最大拉应力达到135.7MPa，如图4所示，局部出现剪切破坏，对岩体致裂、破碎、粉碎起到增强作用，爆破区域的块体破碎更充分[19]。

图4 “高+低位”爆破孔串联一次起爆

4 末采阶段顶板爆破设计

在回撤通道进行顶板取芯，并编录顶板岩层柱状图，在此基础上基于高应力阻断和正面保护的角度，采用顶板爆破手段对上覆岩层中的目标层位进行人工干预，如图5所示，参数见表2。

图5 断顶爆破方案(m)

表2 主回撤通道顶板爆破孔参数

5 爆破效果分析

5.1 末采阶段覆岩应力环境分布

根据已有的顶板岩层应力观测资料，利用surfer 15.0对末采期间煤层上方60m范围顶板岩层内应力分布情况和应力等值线分布进行模拟。

图6 回撤通道末采阶段覆岩应力分布矢量(m)

1)顶板高位单孔爆破后，对煤层上方近距离顶板岩层内较高层位形成爆破致裂破碎区域，该区域垂直范围对应于煤层上方18～40m，水平宽度10～22m，如图6(a)所示。

2)顶板“高+低位”爆破后，对煤层上方近距离顶板岩层内较高-较低层位形成爆破致裂破碎区域，该区域垂直范围对应于煤层上方10～50m，水平宽度8～25m，如图6(b)所示，在末采期间对采动高应力传递路径的实现提前阻断。

顶板高位单孔爆破后，在末采期间对近距离顶板岩层内较高层位的采动高应力传递路径实现提前阻断；顶板“高+低位”单孔爆破，在末采期间对近距离顶板岩层内全部层位的采动高应力传递路径实现提前阻断，在爆破致裂、破碎尺度方面的优势，成功避免了近距离全部岩层内的致裂破碎盲区，达到了对主回撤通道在采动影响方向的正面保护作用。

5.2 末采阶段覆岩应力等值线分布

1)顶板高位单孔爆破后，装药爆破段附近区域的应力水平明显降低，最低至5MPa，该区域水平宽度约13m左右、垂直高度26～40m，与破碎区范围相对应；爆破破碎区域的应力等值线水平明显降低，爆破孔横向应力变化梯度介于2.05～2.27MPa/m，纵向应力变化梯度介于1.6MPa/m左右，如图7(a)所示。形成对煤层上方30～40m范围的高位顶板岩层内的高应力传递路径的阻断作用，一定程度上对主回撤通道形成保护作用。

图7 回撤通道末采阶段覆岩应力等值线

2)顶板“高+低”位爆破后，装药爆破段附近区域的应力水平大幅度降低，最低至0MPa，中心局部形成“零应力”区域，该区域水平宽度约10～15m左右、垂直高度22～32m，对应于破碎区域。爆破破碎区域的应力等值线水平大幅度降低，爆破孔横向应力变化梯度介于1.25～1.4MPa/m，纵向应力变化梯度Δσ介于0.89～1.0MPa/m，如图7(b)所示。形成对煤层上方10～45m范围的高位顶板岩层内的高应力传递路径的阻断作用，对主回撤通道形成正面保护作用。

顶板“高+低位”单孔爆破后，致裂破碎区域应力变化梯度明显降低，横向应力变化梯度降低近40%，纵向应力变化梯度降低37.5%，据此断定：“高+低位”爆破孔一次起爆产生的爆破应力波叠加，促进了对顶板岩石的致裂、破碎和粉碎作用，使得爆破区域的块体破碎更充分，增强了致爆破裂破碎区域的阻断应力传递功能。

5.3 末采阶段回撤通道煤体应力检测结果

顶板“高+低”位爆破和顶板单孔高位爆破后，主回撤通道应力变化差异较大。实施顶板“高+低”位爆破后，主回撤通道171#、172#煤体应力计监测值基本平稳，最大监测应力值7.2MPa，通道内其余应力计均无预警；实施顶板单孔高位爆破后，末采阶段主回撤通道未出现红色预警，但出现两处黄色预警，104#、106#煤体应力计监测值分别升高至10.7MPa、12.7MPa，如图8所示。

“高+低位”爆破形成对覆岩10～50m范围的高位顶板岩层内的高应力传递路径的阻断作用，对主回撤通道形成近距离全层位的正面保护作用，没有出现致裂破碎盲区；高位单孔爆破对煤层上方30～40m范围的高位顶板岩层内的高应力传递路径的阻断作用，一定程度上对主回撤通道形成保护作用，但在近距离岩层较低层位10～20m形成致裂破碎盲区，这是造成两处黄色预警的重要因素。

5.4 微震监测结果

31103-2较之于31120末采阶段(距离回采贯通40m范围)，微震事件总频次降低30%，释放总能量降低35%，未出现104及以上事件，见表3。顶板“高+低”位爆破提前消除了顶板岩层弹性能量聚积的条件，并降低了强动载冲击因素。

图8 主回撤通道末采阶段应力计变化

表3 末采阶段微震监测对比(KJ551)

6 结 论

1)顶板爆破技术具有爆破致裂破碎尺度方面优势，提前消除采动高应力传递路径，避免了致裂破碎盲区，实现对主回撤通道的全方位、无死角的正面保护作用；

2)顶板爆破技术具有爆破致裂、破碎方面优势，应力梯度大幅度降低，所形成的爆破致裂破碎区域对应力传递的阻断功能更强。

3)爆破后上覆岩层内高应力传递路径的调整，还需进一步实测，以实现对传递路径的精准阻断。