一、項目背景
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，來壓時產(chǎn)生動壓沖擊，不僅容易損壞支架，而且容易形成颶風，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，來壓強度大，容易壓死支架、甚至產(chǎn)生颶風，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動封孔器。研究成果在山西、淮南、內(nèi)蒙等堅硬頂板工作面使用，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)行一個或幾個Lagrange時步計算，此時炸藥網(wǎng)格隨材料膨脹流動而產(chǎn)生變形，然后執(zhí)行ALE時步計算：
①保持變形后的炸藥邊界條件，對內(nèi)部單元進行重分網(wǎng)格，網(wǎng)格的拓撲關(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重變形引起的數(shù)值計算困難，并實現(xiàn)對流體與固體在各種復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，從幾十萬個大氣壓到低于一個標準大氣壓，爆破過程中如用瞬時的集中載荷模擬炸藥，則模擬結(jié)果和實驗室結(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驗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)能和相對體積，MJ，m3。
模擬采用二級煤礦許用乳化炸藥，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參數(shù)由實驗獲得，缺少的參數(shù)取同類的平均值。
（5）邊界條件的選取
深孔爆破時炮孔處于無限的煤體中，模擬時要用一個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)點力或位移。一般模擬時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)力波重新進入模型與原應(yīng)力波相互疊加會給求解結(jié)果帶來很大的誤差。
為了減少邊界處波的反射對結(jié)果的影響，對模型的邊界施加無反射邊界條件，吸收到達邊界的膨脹波和剪切波。
（6）煤巖體的破壞準則的選取
材料的性質(zhì)和實際的受力狀況決定了材料在外載荷作用下的破壞準則。煤巖體屬于脆性介質(zhì)，其抗拉強度明顯低于抗壓強度。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，定義的破壞準則為壓破壞和拉破壞，即當單元的拉應(yīng)力超過煤巖體的抗拉強度或壓應(yīng)力超過煤巖體的抗壓強度時發(fā)生破壞。
（7）裂紋形成的實現(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算，多個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、不同孔徑時的爆破后的裂紋擴展和應(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)擴展，次裂紋擴展方向具有一定的隨機性，主裂紋擴展的主方向為沿徑向向外擴展，但在局部表現(xiàn)為一定的隨機性。裂紋擴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展的主方向不變，四條主裂紋的擴展長度分別為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?，考慮兩個方案，方案一為兩個炮孔分開起爆，方案二為兩炮孔同時起爆。爆破后的裂紋擴展情況如圖2和圖3所示，當炮孔分次起爆時，炮孔的應(yīng)力傳播情況、裂紋擴展情況和單個炮孔相比沒有明顯不同。當炮孔同時起爆時，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炮孔起爆時基本相同，炮孔連線的中垂線處產(chǎn)生了新的裂紋，說明炮孔同時起爆時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
深孔爆破弱化堅硬頂煤時常見的炮孔布置方式有交錯布孔和平行布孔兩種，為了研究兩種炮孔布置方式時炮孔周圍破壞情況，建立了相關(guān)的數(shù)值模型進行預判，如圖4所示。當采用交錯布孔時，爆破的直接破壞作用在巖體中形成一個沿層面分布相對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。因此均勻布孔時支承壓力破煤作用的利用程度較低，預先爆破的作用以直接破碎作用形式為主。
圖4 炮孔交錯布置時的爆破效果
平行布孔時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，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動，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，有利于較好地利用和充分發(fā)揮支承壓力的作用。
圖5 平行布孔時爆破效果
三、井下深孔爆破工藝及施工機具
1.跨皮帶鉆孔機具
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)備干涉鉆機的擺放，針對井下深孔施工的特殊條件，提出了跨皮帶打鉆機具的方案。該鉆具的主要特點為該裝置驅(qū)動部位可以懸臂方式固定在皮帶上方，皮帶巷側(cè)幫施工時可靈活調(diào)整機身位置，減少鉆機實際占用巷道空間，如圖6。
圖6 坑道鉆機及三翼鉆頭圖
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，為了防止孔內(nèi)炸藥的殘炮、拒爆現(xiàn)象，針對深孔爆破的裝藥提出了采用凹槽爆破筒填裝、專用炮棍進行裝藥，如圖7所示，凹槽可以保護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，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，分段即每個孔內(nèi)的炸藥分成多段，每段可連續(xù)5-10個爆破筒連為一體，分段不但安裝容易，且遇到緊急情況時一段不爆另一段也會爆，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)有打鉆殘渣、將高壓水管接到炮棍上、使用高壓水進行沖洗炮孔，然后再裝藥。每節(jié)爆破筒可提前安排工人塞滿炸藥、使用時運至爆破地點。探好孔后、向孔內(nèi)填裝爆破筒時再塞入雷管，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.風動封孔器
深孔爆破的封泥較長，為了節(jié)省時間提高效率，改進了風動封孔器的結(jié)構(gòu)。在裝完藥后，開始封孔，封泥時采用風壓封孔器，如圖10所示。
圖10 風動封孔器
封孔時為了防止高壓風管對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為宜。
具體操作工藝為：工人先拿著風壓管子試一下風(一定要雙手握緊)，看是否管路通暢，然后將風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(防止高壓風吹出來顆粒傷人)，工人眼睛不要看孔口。打開風壓封孔器，將黃土裝入風壓封孔器內(nèi)，每次送入2kg左右，一個工人關(guān)閉風壓器，另一個工人打開操縱閥，黃土被高壓風吹入孔底，工人將風管向外拖拽50cm左右，進行下一個循環(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，需對電雷管的網(wǎng)路進行檢驗，以避免短路、斷路等情況。起爆網(wǎng)路導通的測試采用數(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把電阻值數(shù)據(jù)進行處理，判斷合格與否，并同時以數(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)用實例
1.在初采爆破強制放頂中的應(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度為81.2MPa，單向抗拉強度為6.1MPa，屬于“薄松散層厚基巖”型淺埋煤層。
強制放頂高度是影響強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初次來壓步距為80m，分級指標來壓當量計算值為1024，屬III級頂板，來壓強烈。工作面礦山壓力受頂板的堅硬粗砂巖層影響較大，周期來壓主要由上方多層堅硬粗砂巖決定，厚度約13.7m。需通過兩順槽對其進行的超前預裂爆破，來降低頂板來壓強度。
考慮到1號煤層傾角達到39°，回風順槽炮孔存在俯角，在打孔和裝藥時存在一定困難。因此，回風順槽炮孔相對較短，兩巷深孔爆破炮孔深度布置如下：運輸順槽處理39.5m深度，回風順槽處理19m深度，中間44.5m不進行處理。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，回風順槽每組炮孔為3個炮孔，炮孔編號分別為A、B、C孔，運輸順槽每組炮孔為4個炮孔，炮孔編號分別為A、B、C、D孔。炮孔布置如圖16所示，工作面每推進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，運輸順槽4個炮孔孔口間距為0.5m，分兩排布置；回風順槽3個炮孔縱向“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)過初采強制放頂后，工作面在推進9.6m時，支架架后方的頂板初次垮落，此后中下部支架冒落較充分，當回采至30.8m時，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?，該工作面在經(jīng)過堅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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