刘泽功教授团队：切缝药包超前预裂爆破厚硬顶板矿压与瓦斯综合防治试验研究

切缝药包超前预裂爆破厚硬顶板矿压与瓦斯综合防治试验研究

作者：

乔国栋^1,2，刘泽功^1,2，高魁¹，周云权¹，傅师贵^1,2

单位：

1.安徽理工大学 安全科学与工程学院

2.合肥综合性国家科学中心 能源研究院

01摘要

针对厚硬顶板导致高矿压、高位钻孔瓦斯抽采效果不佳的问题，通过爆破相似模拟试验与理论分析相结合的研究方法，对普通爆破与切缝药包爆破载荷作用下物模的宏观裂纹分布模式、损伤特征以及应变和应力的演化规律进行分析，对爆破弱化半径进行定量计算。结果表明：模型表面爆破裂纹分布差异显著；使用损伤度（D）及波降率（η）对岩石爆破损伤情况进行定量表征，发现切缝药包爆破比普通爆破造成的有效损伤范围更大；动态应变信号分析表明，切缝方向上应力波波阵面速度更快、强度更高，岩层受到的爆炸动载更强，测点的峰值应变及峰值应力均显著大于普通爆破。理论计算表明切缝药包爆破弱化半径（21.8 m）大于普通爆破（16.5 m），使用切缝药包超前预裂爆破厚硬顶板可以保障巷道稳定性，并且更具经济效益。研究成果为解决厚硬顶板条件下的矿压与上隅角瓦斯综合防治问题有着一定的指导意义。

02创新点

随着煤矿开采深度的增加，矿压问题凸显，同时面临高矿压、高瓦斯的矿井逐渐增多。然而现阶段对矿压和瓦斯治理方面的研究通常是割裂开来的。在面对厚硬顶板悬顶和上隅角瓦斯超限的实际工程问题时，探索一种兼顾瓦斯与矿压治理的新方法对于煤矿安全生产具有重要意义。鉴于此，研究团队提出了使用切缝药包超前预裂爆破技术对厚硬顶板进行弱化的方法结合高位瓦斯抽采钻孔同时解决矿压和瓦斯问题。与普通药包爆破相比，该方法的特点在于，在不增加炮孔数量及单孔装药量的前提下定向扩大爆破致裂范围，从而保障巷道安全、改善顶板冒落性、提高高位瓦斯抽采钻孔利用率、节约经济成本。本文以淮北煤电集团任楼煤矿ⅡN7₂24N工作面为工程背景，在实验室内开展普通药包与切缝药包超前预裂爆破对比试验，探索切缝药包爆炸荷载作用下厚硬顶板应力应变演化规律、岩层损伤分布特征。基于试验结果，计算工程现场中切缝药包的致裂范围，并对切缝药包超前预裂爆破顶板的炮孔布置参数进行了设计，评估其经济效益。

取得的主要成果如下：

（1）以淮北煤电集团任楼煤矿N7₂24N工作面为工程背景，使用量纲分析法推导出厚硬顶板预裂爆破相似准则。以此为基础，利用自研装置在实验室内开展了普通爆破与切缝药包爆破荷载作用下岩石动态响应规律的研究。

（2）使用损伤度D和波降率η对岩石损伤程度进行定量描述。分析表明，普通药包在爆炸近区造成的岩石损伤程度大于切缝药包，而随着爆心距增大，普通药包爆破能量迅速衰减，到达M3检测面的能量已经不足以对岩石造成破坏。相比而言，切缝药包能量衰减缓慢，对岩石损伤范围更大。

（3）在爆破近区，切缝药包在切缝方向上的爆炸波速度比普通爆破更快，测点的峰值应变与峰值应力也更大，表明切缝方向上的岩石会受到更强的爆炸动载。峰值应力拟合结果表明，峰值应力随

增大呈指数型衰减。切缝药包与普通药包爆破作用下峰值应力与

关系分别满足

和

。

（4）提出了一种基于相似模拟试验结果的爆破弱化硬岩范围的计算方法，计算可知工程现场中普通药包爆破的岩石弱化半径为16.5m，切缝药包爆破弱化岩石半径为21.8m，是普通药包爆破的1.32倍。使用切缝药包进行厚硬顶板预裂爆破可以有效增加岩石破裂范围,改善高位瓦斯钻孔抽采效果，与普通药包爆破施工成本相比具备一定的经济效益。