一、項(xiàng)目背景
煤層上方賦存的厚硬巖層在采空區(qū)懸露較大面積而不垮落，初次來壓及周期來壓步距大，來壓時(shí)產(chǎn)生動(dòng)壓沖擊，不僅容易損壞支架，而且容易形成颶風(fēng)，造成人員傷亡。尤其是初采期間，頂板為簡支梁結(jié)構(gòu)，初次來壓步距長，來壓強(qiáng)度大，容易壓死支架、甚至產(chǎn)生颶風(fēng)，威脅回采工作面安全生產(chǎn)。頂板弱化處理是控制頂板不易垮落最有效、最直接的手段。頂板弱化措施主要有：水壓致裂、空氣爆破、深孔爆破等。
深孔爆破其核心是通過煤礦許用乳化炸藥（或水膠炸藥）爆破產(chǎn)生的沖擊波和應(yīng)力波將巖體拉裂，大量的爆生高壓氣體貫入裂縫形成氣楔，在爆破應(yīng)力波和爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)共同作用下，巖體產(chǎn)生破壞、發(fā)展生成新的裂隙并擴(kuò)展原有裂隙及弱面的過程。近年來，通過創(chuàng)新采用數(shù)值模擬方法預(yù)測爆破效果，為優(yōu)化爆破方案提供了快速、有效的方法。為解決井下巷道空間有限，鉆孔擺放難度大的問題，研制了跨皮帶鉆孔機(jī)具；為解決拒爆、殘爆問題，研制了分節(jié)式凹槽爆破筒和專用炮棍，有效保護(hù)雷管腳線等不被拉斷，創(chuàng)新采用電雷管連接檢測儀，快速檢測接線情況；為解決井下裝藥速度慢，封孔效率低的問題，開發(fā)了分段連體式裝藥工藝和風(fēng)動(dòng)封孔器。研究成果在山西、淮南、內(nèi)蒙等堅(jiān)硬頂板工作面使用，效果良好。
二、爆破參數(shù)優(yōu)化
開展了理論分析和數(shù)值模擬的方法研究炸藥起爆后炮孔周圍的壓碎區(qū)范圍、裂隙區(qū)范圍的大小，裝藥不耦合系數(shù)與裂隙圈范圍的關(guān)系以及封孔所需的最小長度等深孔爆破關(guān)鍵參數(shù)，預(yù)測深孔爆破效果。
1.爆破模型建立過程中的關(guān)鍵問題解決方法
（1）炸藥與巖石的相互作用
采用ALE（流固耦合）算法模擬深孔爆破過程中爆生氣體與煤體間的相互作用，將炸藥定義為流體，煤體定義為固體。ALE算法先執(zhí)行一個(gè)或幾個(gè)Lagrange時(shí)步計(jì)算，此時(shí)炸藥網(wǎng)格隨材料膨脹流動(dòng)而產(chǎn)生變形，然后執(zhí)行ALE時(shí)步計(jì)算：
①保持變形后的炸藥邊界條件，對(duì)內(nèi)部單元進(jìn)行重分網(wǎng)格，網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系保持不變，稱為Smooth Step；
②將炸藥變形網(wǎng)格中的單元變量（密度、能量、應(yīng)力張量等）和節(jié)點(diǎn)速度矢量輸送到重分后的新網(wǎng)格中，稱為Advection Step。這種算法能夠克服單元嚴(yán)重變形引起的數(shù)值計(jì)算困難，并實(shí)現(xiàn)對(duì)流體與固體在各種復(fù)雜載荷條件下的相互作用分析。
（2）炸藥載荷的施加
炸藥的爆炸過程中，爆轟產(chǎn)物產(chǎn)生的壓力變化范圍非常大，從幾十萬個(gè)大氣壓到低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，爆破過程中如用瞬時(shí)的集中載荷模擬炸藥，則模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相差很大。采用HIGE_EXPLOSIVE_BURN模型以及JWL方程模擬炸藥，JWL狀態(tài)方程能夠較為精確的描述凝聚炸藥圓桶實(shí)驗(yàn)過程中壓力與比容的關(guān)系。其狀態(tài)方程如下：
式中：
A、B——炸藥特性參數(shù)，GPa；
R1、R2、ω——炸藥特性參數(shù)，無量綱；
P——壓力，MPa；
E、V——表示爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能和相對(duì)體積，MJ，m3。
模擬采用二級(jí)煤礦許用乳化炸藥，材料參數(shù)取該炸藥的一般值如表1所示。
表1 煤礦許用乳化炸藥材料參數(shù)
（3）空氣的模擬
采用NULL材料模型以及LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程來模擬空氣，狀態(tài)方程如下：
式中：
P——爆轟壓力；
E——單位內(nèi)能；
V——相對(duì)體積；
各參數(shù)的取值如表2所示。
表2 空氣材料參數(shù)
（4）煤巖體的模擬
爆炸過程中煤應(yīng)變速率的變化范圍非常大，采用對(duì)應(yīng)變速率變化敏感的材料來模擬。煤巖體的基本物理力學(xué)參數(shù)由實(shí)驗(yàn)獲得，缺少的參數(shù)取同類的平均值。
（5）邊界條件的選取
深孔爆破時(shí)炮孔處于無限的煤體中，模擬時(shí)要用一個(gè)有限域來表示無限域，必須明確界定有限域的邊界條件，即給定已知的或被約束的節(jié)點(diǎn)力或位移。一般模擬時(shí)采用固定邊界的位移或給邊界恒定作用力的方式來處理，這樣會(huì)使爆破后的應(yīng)力波在邊界處產(chǎn)生反射，反射后的應(yīng)力波重新進(jìn)入模型與原應(yīng)力波相互疊加會(huì)給求解結(jié)果帶來很大的誤差。
為了減少邊界處波的反射對(duì)結(jié)果的影響，對(duì)模型的邊界施加無反射邊界條件，吸收到達(dá)邊界的膨脹波和剪切波。
（6）煤巖體的破壞準(zhǔn)則的選取
材料的性質(zhì)和實(shí)際的受力狀況決定了材料在外載荷作用下的破壞準(zhǔn)則。煤巖體屬于脆性介質(zhì)，其抗拉強(qiáng)度明顯低于抗壓強(qiáng)度。深孔爆破中，煤巖體的受力為拉壓混合的三向應(yīng)力狀態(tài)，并且已有研究表明：在爆破過程中炮孔周圍壓碎區(qū)是煤巖的破壞方式為受壓破壞，裂隙區(qū)的破壞方式為受拉破壞。因此，定義的破壞準(zhǔn)則為壓破壞和拉破壞，即當(dāng)單元的拉應(yīng)力超過煤巖體的抗拉強(qiáng)度或壓應(yīng)力超過煤巖體的抗壓強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞。
（7）裂紋形成的實(shí)現(xiàn)
通過定義單元失效的方法模擬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的裂紋，即將發(fā)生破壞的單元定義為失效單元，把失效的單元從模型中刪除不參與后期計(jì)算，多個(gè)被刪除的單元相互貫通，在結(jié)構(gòu)中就形成了裂紋。
2.爆破參數(shù)優(yōu)化
（1）裝藥量
通過分析不同裝藥量、不同孔徑時(shí)的爆破后的裂紋擴(kuò)展和應(yīng)力分布情況，優(yōu)化裝藥量和孔徑參數(shù)。如圖1所示為單炮孔模型效果。炮孔周圍開始出現(xiàn)徑向主裂紋，主裂紋條數(shù)為4條。隨后主裂紋和次裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，次裂紋擴(kuò)展方向具有一定的隨機(jī)性，主裂紋擴(kuò)展的主方向?yàn)檠貜较蛳蛲鈹U(kuò)展，但在局部表現(xiàn)為一定的隨機(jī)性。裂紋擴(kuò)展終止后在炮孔的周圍有大量的次裂紋，主裂紋產(chǎn)生一定量的分岔且分岔后裂紋擴(kuò)展的主方向不變，四條主裂紋的擴(kuò)展長度分別為1.18m、1.2m、1.07m、1.17m。
圖1 單炮孔的炸裂效果
（2）起爆順序
為分析不同起爆順序?qū)Ρ菩Ч挠绊懀紤]兩個(gè)方案，方案一為兩個(gè)炮孔分開起爆，方案二為兩炮孔同時(shí)起爆。爆破后的裂紋擴(kuò)展情況如圖2和圖3所示，當(dāng)炮孔分次起爆時(shí)，炮孔的應(yīng)力傳播情況、裂紋擴(kuò)展情況和單個(gè)炮孔相比沒有明顯不同。當(dāng)炮孔同時(shí)起爆時(shí)，在兩炮孔應(yīng)力波相交處產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，應(yīng)力波相交處應(yīng)力明顯高于距炮孔相同距離其他位置的應(yīng)力，此區(qū)域煤體更容易破壞產(chǎn)生裂紋。兩炮孔起爆完成后，炮孔周圍的破壞范圍與單個(gè)炮孔起爆時(shí)基本相同，炮孔連線的中垂線處產(chǎn)生了新的裂紋，說明炮孔同時(shí)起爆時(shí)有利于炮孔中垂線位置處煤體的破壞。
圖2 兩炮孔分開起爆后裂紋擴(kuò)展
圖3 不同起爆順序的應(yīng)力分布情況
（3）炮孔位置
深孔爆破弱化堅(jiān)硬頂煤時(shí)常見的炮孔布置方式有交錯(cuò)布孔和平行布孔兩種，為了研究兩種炮孔布置方式時(shí)炮孔周圍破壞情況，建立了相關(guān)的數(shù)值模型進(jìn)行預(yù)判，如圖4所示。當(dāng)采用交錯(cuò)布孔時(shí)，爆破的直接破壞作用在巖體中形成一個(gè)沿層面分布相對(duì)比較均勻的破碎軟弱層。由于爆破破碎軟弱層與頂板巖層平行，其垂直變形剛度明顯減小。因此均勻布孔時(shí)支承壓力破煤作用的利用程度較低，預(yù)先爆破的作用以直接破碎作用形式為主。
圖4 炮孔交錯(cuò)布置時(shí)的爆破效果
平行布孔時(shí)炸藥起爆后炮孔周圍的破壞情況如圖5所示。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，采用平行布孔時(shí)，炸藥起爆后形成了兩條沿垂直方向分布和水平方向分布的大裂紋，大裂紋的存在使炮孔中間的巖體更加破碎。較高的集中應(yīng)力使破碎帶之間的比較完整煤體可以產(chǎn)生較大的剪切破壞和位移錯(cuò)動(dòng)，能較充分地利用礦壓作用破碎爆破直接破碎作用較小的排間巖體，也能較好的控制大塊的出現(xiàn)。因此平行布孔時(shí)，有利于較好地利用和充分發(fā)揮支承壓力的作用。
圖5 平行布孔時(shí)爆破效果
三、井下深孔爆破工藝及施工機(jī)具
1.跨皮帶鉆孔機(jī)具
井下深孔爆破的炮孔施工十分關(guān)鍵，而井下巷道空間有限，且存在皮帶等設(shè)備干涉鉆機(jī)的擺放，針對(duì)井下深孔施工的特殊條件，提出了跨皮帶打鉆機(jī)具的方案。該鉆具的主要特點(diǎn)為該裝置驅(qū)動(dòng)部位可以懸臂方式固定在皮帶上方，皮帶巷側(cè)幫施工時(shí)可靈活調(diào)整機(jī)身位置，減少鉆機(jī)實(shí)際占用巷道空間，如圖6。
圖6 坑道鉆機(jī)及三翼鉆頭圖
2.分節(jié)式凹槽爆破筒
深孔爆破的裝藥很關(guān)鍵，尤其是炮孔深度一般50-120m深時(shí)，為了防止孔內(nèi)炸藥的殘炮、拒爆現(xiàn)象，針對(duì)深孔爆破的裝藥提出了采用凹槽爆破筒填裝、專用炮棍進(jìn)行裝藥，如圖7所示，凹槽可以保護(hù)雷管腳線等不被拉斷，確保所有雷管完好，杜絕殘炮。
圖7 深孔爆破專用凹槽被筒
炸藥可采用普通常用的煤礦許用三級(jí)乳化或水膠炸藥，藥卷尺寸長200mm，直徑350mm。深孔爆破由于炮孔較深，為了便于裝藥，需采用阻燃防靜電凹槽被筒，每節(jié)被筒1-2m長，先將炸藥裝入被筒內(nèi)，再向炮孔內(nèi)填送炸藥，在每一節(jié)炸藥填入孔內(nèi)的同時(shí)，將雷管塞入凹槽被筒內(nèi)。爆破筒裝藥結(jié)構(gòu)如圖8所示。
圖8 凹槽爆破筒內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)圖
此外還針對(duì)性的研制了專門用于深孔內(nèi)填裝炸藥的輕體雙抗炮棍，該炮棍采用抗阻燃、抗靜電材料制作，重量輕便、操作便利。
3.分段連體式裝藥工藝
深孔爆破的炸藥及雷管安裝結(jié)構(gòu)很關(guān)鍵，為了保證安全的將炸藥全部起爆，特采用“分段連體式”裝藥結(jié)構(gòu)，如圖9所示，分段即每個(gè)孔內(nèi)的炸藥分成多段，每段可連續(xù)5-10個(gè)爆破筒連為一體，分段不但安裝容易，且遇到緊急情況時(shí)一段不爆另一段也會(huì)爆，確保萬無一失。
圖9 分段連體裝藥工藝
具體裝藥操作為：使用凹槽爆破筒，用鉗子等工具在筒中部打一個(gè)直徑10mm的孔，用于塞入雷管；在距離兩端頭各3mm處在兩端各打一個(gè)直徑3mm的孔用于掛連接扣，使每節(jié)爆破筒相連。
裝藥前必須用專用炮棍先探孔，如果遇到卡阻現(xiàn)象，說明孔內(nèi)有打鉆殘?jiān)⒏邏核芙拥脚诠魃?、使用高壓水進(jìn)行沖洗炮孔，然后再裝藥。每節(jié)爆破筒可提前安排工人塞滿炸藥、使用時(shí)運(yùn)至爆破地點(diǎn)。探好孔后、向孔內(nèi)填裝爆破筒時(shí)再塞入雷管，雷管從爆破筒引出后直接連放炮母線，放炮母線放置在爆破筒的凹槽內(nèi)、用膠帶固定好。每組爆破筒的雷管全部串聯(lián)。固定好雷管及炮線之后、用炮棍將每組爆破筒依次塞入孔內(nèi)。
4.風(fēng)動(dòng)封孔器
深孔爆破的封泥較長，為了節(jié)省時(shí)間提高效率，改進(jìn)了風(fēng)動(dòng)封孔器的結(jié)構(gòu)。在裝完藥后，開始封孔，封泥時(shí)采用風(fēng)壓封孔器，如圖10所示。
圖10 風(fēng)動(dòng)封孔器
封孔時(shí)為了防止高壓風(fēng)管對(duì)母線造成的磨損與絞纏，最好將腳線懸掛至孔壁上側(cè)，并固定好。封孔材料采用較潮濕的黃土。黃土在使用前為干燥的黃土顆粒體，下井前需要篩選，使顆粒度<5mm，在井下噴水后由工人手工攪拌至潮濕。潮濕的黃土不能太干、也不能太濕，干了黏聚力小，散體狀無法封孔，太濕了容易卡堵壓入管路，攪拌好的黃土用手能夠捏成團(tuán)為宜。
具體操作工藝為：工人先拿著風(fēng)壓管子試一下風(fēng)(一定要雙手握緊)，看是否管路通暢，然后將風(fēng)壓管一端連接封孔器，另一端插到孔底，并撤出來50cm左右，孔口處操作的工人用編織袋捂住孔口(防止高壓風(fēng)吹出來顆粒傷人)，工人眼睛不要看孔口。打開風(fēng)壓封孔器，將黃土裝入風(fēng)壓封孔器內(nèi)，每次送入2kg左右，一個(gè)工人關(guān)閉風(fēng)壓器，另一個(gè)工人打開操縱閥，黃土被高壓風(fēng)吹入孔底，工人將風(fēng)管向外拖拽50cm左右，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的封孔，直至按要求封完。
5.電雷管連接檢測儀
深孔爆破起爆之前，需對(duì)電雷管的網(wǎng)路進(jìn)行檢驗(yàn)，以避免短路、斷路等情況。起爆網(wǎng)路導(dǎo)通的測試采用數(shù)顯式電雷管電阻檢測儀，該儀器是一種先進(jìn)的、智能化的電阻分選儀器，也是目前國內(nèi)唯一取得煤安標(biāo)志證書的數(shù)顯式電雷管檢測儀。
該儀器能在測試的瞬間自動(dòng)把電阻值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷合格與否，并同時(shí)以數(shù)字、聲、光指示。該數(shù)據(jù)處理方式能有效地減少或杜絕在測試過程中把橋絲電阻值偏小的產(chǎn)品通常容易誤判為合格的現(xiàn)象。
孔內(nèi)的雷管連線方式采用串并聯(lián)的方式連接。如果多個(gè)炮孔一次起爆，則孔與孔之間也采用串聯(lián)方式，保證每一發(fā)雷管都起爆。雷管連線如圖11和圖12所示。
圖11 多段炸藥的連接結(jié)構(gòu)
圖12 一段炸藥內(nèi)雷管的連線結(jié)構(gòu)
四、應(yīng)用實(shí)例
1.在初采爆破強(qiáng)制放頂中的應(yīng)用
某煤礦位于神府礦區(qū)，所采5-2煤層平均埋深70m，其基巖厚度為60m，松散載荷層厚度為9m，頂板巖石單向抗壓強(qiáng)度為81.2MPa，單向抗拉強(qiáng)度為6.1MPa，屬于“薄松散層厚基巖”型淺埋煤層。
強(qiáng)制放頂高度是影響強(qiáng)放效果的最重要因素?；诒坡┒防碚?，分析了延長藥包發(fā)生減弱拋擲爆破時(shí)最小抵抗線與裝藥直徑、密度的關(guān)系，并根據(jù)最小抵抗線確定掏槽炮孔和其余炮孔的布置方案和參數(shù)，如圖13、圖14和表3、表4所示。
圖13 掏槽炮孔的布置示意圖
表3工作面爆破參數(shù)
圖14 順槽炮孔布置圖
表4 順槽炮孔參數(shù)表
放炮結(jié)束后，從兩端頭和支架縫隙可以看出切眼處頂板垮落充分，采空區(qū)基本被垮落后的碎脹矸石充滿，從支架縫和兩端頭可以看到掉落的錨索，見圖15所示，說明頂板垮落高度大；由現(xiàn)場觀測得知，強(qiáng)放后工作面回采過程中工作面中部直接頂可以隨采隨冒，說明爆破效果很好。
圖15采空區(qū)頂板冒落情況
2.在堅(jiān)硬頂板爆破處理中的應(yīng)用
某礦6011采面是六采區(qū)第一區(qū)段北面的第一個(gè)回采工作面，該工作面開采1#煤層，工作面走向長度為570m，傾向長度為94m，工作面傾角平均為38°；采高平均為2.61m。運(yùn)輸順槽在開切眼附近為異形巷道斷面，巷道頂板即為煤層頂板，頂板堅(jiān)硬而完整，底板光滑，人員站立及行走都十分困難，在打鉆開孔時(shí)造成了一定困難。
6011工作面無偽頂與直接頂，直覆的基本頂灰色巨厚層狀粗砂巖～含礫粗砂巖，厚度為13.7m；直接底為灰色中厚層狀粉砂巖，局部含細(xì)粒砂巖，厚5.0m。
數(shù)值模擬結(jié)果表明，在頂板不采取弱化時(shí)初次來壓步距為80m，分級(jí)指標(biāo)來壓當(dāng)量計(jì)算值為1024，屬III級(jí)頂板，來壓強(qiáng)烈。工作面礦山壓力受頂板的堅(jiān)硬粗砂巖層影響較大，周期來壓主要由上方多層堅(jiān)硬粗砂巖決定，厚度約13.7m。需通過兩順槽對(duì)其進(jìn)行的超前預(yù)裂爆破，來降低頂板來壓強(qiáng)度。
考慮到1號(hào)煤層傾角達(dá)到39°，回風(fēng)順槽炮孔存在俯角，在打孔和裝藥時(shí)存在一定困難。因此，回風(fēng)順槽炮孔相對(duì)較短，兩巷深孔爆破炮孔深度布置如下：運(yùn)輸順槽處理39.5m深度，回風(fēng)順槽處理19m深度，中間44.5m不進(jìn)行處理。兩順槽炮孔組與組間距為20m，第一組炮孔與工作切眼煤壁距離為10m。各組炮孔都為扇形布置，回風(fēng)順槽每組炮孔為3個(gè)炮孔，炮孔編號(hào)分別為A、B、C孔，運(yùn)輸順槽每組炮孔為4個(gè)炮孔，炮孔編號(hào)分別為A、B、C、D孔。炮孔布置如圖16所示，工作面每推進(jìn)20m，需打孔173m，裝藥307.2kg。
圖16 兩順槽炮孔平面、剖面布置圖
炮孔孔口位置如圖17所示，運(yùn)輸順槽4個(gè)炮孔孔口間距為0.5m，分兩排布置；回風(fēng)順槽3個(gè)炮孔縱向“一”字形布置，炮孔孔口間距為0.4m。
圖17 炮孔孔口位置示意圖
經(jīng)過初采強(qiáng)制放頂后，工作面在推進(jìn)9.6m時(shí)，支架架后方的頂板初次垮落，此后中下部支架冒落較充分，當(dāng)回采至30.8m時(shí)，所有支架后方均有冒落矸石充填。經(jīng)過爆破弱化后，支架后方頂板冒落情況較好，冒落矸石能夠接頂，采空區(qū)基本充填滿。從工作面支架的縫隙及上、下隅角向采空區(qū)后方看，均可見充滿的矸石。
通過堅(jiān)硬頂板弱化處理后，頂板冒落前后支架沒有明顯的壓力陡增現(xiàn)象，支架壓力值（28~29MPa）與額定阻力值（40.79MPa）仍有較大的差距，安全閥從未開啟過?？梢姡摴ぷ髅嬖诮?jīng)過堅(jiān)硬頂板的爆破處理后，其礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象和傳統(tǒng)的初次來壓、周期來壓有所不同，回采過程中礦山壓力沒有特別明顯的增大現(xiàn)象。
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