0 引 言
煤炭资源大规模高强度开采破坏了采空区上覆岩层的原岩应力平衡状态，使得上覆岩层中应力重新分布，并达到新的平衡，当地表拉伸力大于岩体的极限抗拉强度时，造成地表产生沉陷与裂隙[1-2]。特别对于大同矿区，随着侏罗系煤层可采资源的减少，使上部煤层和采空区的情况非常复杂，留下多层采空区[3-5]。当开采石炭系煤层时，由于采高较大，在采空区顶板共同垮落的叠加效应作用下，顶板垮落所形成的裂隙延伸高度明显增大，并和上部侏罗系煤层采空区连通，导致地表出现大量的贯通裂隙与沉陷区域。裂隙的形成造成通风系统紊乱，加大了煤层自燃危险性，增加了采空区防灭火难度[6-8]。地表的非连续变形，造成地面大量建筑物发生破坏，大量农田由于沉陷产生裂缝进而造成荒芜，甚至直接影响地面行人和放牧安全[9-10]。因此，充分掌握地表沉陷裂隙的分布特征，提出切实可行的地表沉陷裂隙治理方案十分必要。
针对开采地表沉陷治理，广大学者进行了大量研究，取得了丰硕成果[11-13]。提出了煤炭开采对覆岩结构、地下水赋存环境、耕地等的影响，探讨了矸石充填、植被、菌根等复垦技术[14-15]。鲁叶江[16]为解决煤矸石充填复垦耕地土壤水分容易流失问题，探讨了压实处理对矸石充填复垦土壤水分的影响。胡海峰等[17]针对山西黄土丘陵煤炭开采带来的沉陷问题，分析其开采沉陷特点，构建了采煤沉陷地复垦技术。胡振琪[18]回顾总结了我国土地复垦与生态修复技术。刘辉等[19]针对西部矿区浅埋煤层开采造成的地表裂隙，基于建立的裂缝发育模型，提出采动过程中临时性地表裂缝治理标准和依据。殷建河等[20]以增子坊矿区为工程背景，利用数值模拟和概率积分法对开采造成的地表塌陷与裂缝进行了预测，提出了开采地表塌陷区治理方案，并进行了现场实施，取得了较好的治理效果。崔希民等[21]探讨了开采沉陷的主要影响因素、预计参数的确定和预计误差，总结了开采沉陷存在的问题和今后的研究方向。李树志等[22]总结了采煤沉陷区治理方法以及取得的成果，展望了采煤沉陷区治理领域的发展方向和研究重点。
综上分析，以上研究主要集中于开采沉陷区域的治理，但对地表裂隙充填治理的研究鲜有报道。鉴于此，笔者以塔山煤矿30509工作面对应地面裂隙与沉陷区域为工程背景，分析了裂隙的特征与分布规律，探讨了挤压爆破以及裂隙爆破充填原理，实施了针对不同裂隙宽度充填的挤压爆破方案，并进行了现场应用，研究成果对在同类条件下地面沉陷裂隙治理具有一定的参考价值。
1 工程概况
1.1 30509工作面概况
塔山煤矿30509工作面对应地面位置，北部位于四老沟矿南湾风井东南1 300 m，南部为台子山隧道口，西南为官窑村，其对应地表为低山丘陵、沟谷、冲沟及黄土台地覆盖，山脊基岩裸露，植被覆盖稀少，总体地形南东部相对较高，北西部相对较低。30509工作面为综放工作面，走向长度平均为1 707.41 m，倾斜长度平均为160 m，平均埋藏深度为381 m，采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤开采方法，主采C3～C5煤层，平均厚度为15.1 m，平均倾角为4°，顶底板岩性如图1所示。
图1 顶底板岩性柱状
Fig.1 Top bottom slate histogram
塔山煤矿30509工作面上方为2煤的10207工作面采空区，层间距为4.25～5.89 m，平均5.04 m，2煤之上235～275 m为四老沟矿侏罗系大同组14煤的采空区；再向上32～37 m为侏罗系大同组11煤的采空区。故开采石炭系煤层时，在采空区顶板共同冒落叠加效应的作用下，易产生贯通裂隙。
1.2 地面沉陷裂隙规律分析
塔山煤矿30509工作面回采过程中，该矿地面出现大量的裂隙与沉陷区域，所形成裂隙最大宽度超过2 m，最大沉降深度达6 m。经现场实测，30509工作面范围内，地面地形为黄土丘陵地区，呈“V”字型沟谷，故根据裂隙所在区域，可将裂隙分为2种类型，沟谷东部基岩出露较多，为岩石裂隙；沟谷西部地表覆盖较厚黄土层，为一般土层裂隙，如图2所示。可见，裂隙宽度大、深度深、充填困难；同时地面产生的沉陷裂隙，造成井下漏风严重和采空区有害气体下泄，严重影响矿井正常生产，因此，有必要对沉陷裂隙进行充填研究。
图2 地面沉陷裂隙类型
Fig.2 Types of ground subsidence cracks
2 挤压爆破原理
2.1 挤压爆破作用原理
地面产生沉陷裂隙是井下多层采空区顶板垮落共同作用的结果，因此造成裂隙宽度大、深度深、稳定性差以及裂隙发展持续时间较长，大部分裂隙呈上窄下宽形状，且与下部采空区相通。由于沉陷裂隙变化特征的复杂性导致封堵变得极其困难，当实施常规性充填时，会有以下2点不足：①随裂隙宽度变化，导致充填物松动并顺裂隙滑落到下部采空区，无法实现对沉陷裂隙的有效充填；②常规充填裂隙的方法充填物强度低、隐患大、安全性差。
据此，经多次实地勘察，综合地面沉降监测数据，决定利用控制爆破来实施对裂隙的充填和封堵，爆破产生的巨大威力瞬间将崩落岩石挤压在裂隙中或充填在裂隙内，其密实性和牢固性人工充填无法达到。此外，控制爆破具有较强的灵活性，可根据地表裂隙宽度、岩土特性以及地面岩石的裸露程度采取不同的爆破方法，以达到理想的裂隙治理效果。为防止裂隙宽度变化导致挤压岩石松动下落，对宽度较大裂隙，在挤压岩石上部灌入一定量的胶结物，使其胶结成一体，增加充填物的安全性和耐久性，优化充填效果。
2.2 裂隙爆破充填作用原理
挤压爆破指在裂隙两侧一定距离布置炸点，裂隙的两侧和上部地表是爆破自由面，在爆破作用下沿裂隙两侧形成楔形爆破体，进而在爆生气体和爆轰波共同作用下将楔形体挤压在裂隙中，这种上大下小倒楔形的爆破物镶嵌挤压在裂隙中，随裂隙扩展，楔形体逐渐向下移动继续充填裂隙，以保证充填效果。
3 裂隙爆破充填方案
地表覆盖物不同，裂隙充填所采取爆破方式也不同，沟谷东部为岩石裂隙，如图2a所示，裂隙充填采取挤压爆破；沟谷西部为一般土层裂隙，如图2b所示，地表黄土层厚度大，挤压爆破作用效果不明显，裂隙充填采取松动爆破，利用爆破崩落大体积岩石充填裂隙。
3.1 裂隙爆破充填方案设计
3.1.1 沟谷东部裂隙挤压爆破充填
1)大裂隙(宽度在100 cm以上)，采用双侧布置炸点爆破法，如图3所示。即：裂隙两侧布置炸点的爆破方式，实现双侧挤压充填，爆破后，铺设金属网，上部覆盖黄土并夯实，且高于地表，使其形成大的充填体，防止因裂隙大小变化使充填体失效。
a—爆破点间距；b—爆破点距裂隙距离；c—裂隙宽度
图3 双侧布置炸点充填方案
Fig.3 Filling scheme of blasting points arranged on both sides
2)中裂隙(宽度为30～100 cm)，采用单侧布置炸点爆破法，如图4所示。即：裂隙单侧布置炸点的控制爆破方式进行充填，通过爆破崩落的岩石将裂隙充填压实，爆破后同样进行铺设金属网、回填以及夯实，方法简单，效果良好。
图4 单侧布置炸点充填方案
Fig.4 Filling scheme of blasting point arranged on one side
3)小裂隙(宽度为20～30 cm)，采用裂隙内布置炸点爆破法，如图5所示。即：采用将爆破点直接布置在裂隙内，对裂隙直接实施爆破充填。
图5 内侧布置炸点充填方案
Fig.5 Filling scheme of blast point arranged inside
3.1.2 沟谷西部裂隙爆破充填方法
对小裂缝(宽度小于70 cm)，采用裂隙内单侧布置炸点爆破法，通过爆破崩落的岩石将裂隙充填压实；对大裂隙(宽度大于70 cm)，采用裂隙内双侧布置炸点爆破法，如图6所示，同样通过爆破崩落的岩石充填裂隙，此外，对2种裂隙在爆破后，均需进行铺网与回填。
3.2 裂隙爆破充填方案参数确定
3.2.1 沟谷东部爆破参数
1)大裂隙炸点布置：大裂隙爆破点采用在裂隙两侧布置炸点，爆破参数a、b根据裂隙大小与地面裸露岩石硬度进行确定，即：a=1.1c，b=(1～3)c；其中a为爆破点间距，b为爆破点距裂隙距离，当岩体整体性好，硬度较大时，取下限，当岩石较软时，取上限；c为裂隙宽度。如当裂隙宽度约为150 cm时，爆破点间距约为165 cm，爆破点距裂隙距离约为165～450 cm。
2)中裂隙炸点布置：对裂隙在50 cm左右时，由于裂隙较小，经现场实测发现采用双侧布置炸点后，爆破所形成楔形体镶嵌挤压作用不明显，故采取单侧布置炸点，其中a=1.3c；b=1.5c。
3)小裂隙炸点布置：由于裂隙相对较小，可直接将炸药放置在裂隙中，利用爆破岩石的膨胀充填裂隙，其爆破点距离a与爆破点距裂隙距离b确定：a=(2～3)c，b=4c；当裂隙大于30 cm时，取上限；当裂隙小于30 cm时，取下限。
3.2.2 沟谷西部药包布置及爆破参数
西部地面以黄土覆盖为主，炸点药包必须布置在裂隙内靠近岩石的位置，根据裂隙大小不同采取不同布置方法，如图6所示。
图6 爆破点布置
Fig.6 Layout of blasting points
1)大裂隙(70 cm以上)爆破药包布置：大裂隙爆破点药包布置在裂隙的两侧。爆破参数a、d的确定：a=1.5c；d=h+1.5c；h为岩石上部黄土层厚度。
2)裂隙宽度在70 cm以下爆破药包布置：当裂隙宽度在70 cm以下时爆破药包靠近裂隙一侧布置，a、d参数确定可按大裂隙参数确定方法进行设计。
3.2.3 单个炸点炸药量确定
地表药壶爆破时单个炸点炸药量q确定，除了考虑爆破岩石的硬度、炸点间排距大小，还要充分考虑爆破环境，当爆破环境复杂，还要求控制爆破飞石距离、爆破震动等影响因素。一般通过q=(0.2～0.4)abQ进行确定，Q为抛掷爆破单位体积炸药量，岩石硬度较少时取上限，硬度较大时取下限，本文爆破Q取1.1 kg/m3。当裂隙内布置药包爆破时，单个药包q1=1.5q。
3.3 装药及爆破网路设计
1)装药。为方便施工，采用药壶爆破，即用工具在爆破点处进行开挖(药壶)，把加工好炸药包放置坑内并进行覆盖。爆破坑深度大于药包直径，为提高爆破效果，可适当增加爆破坑深度。
2)爆破网路。爆破网路起爆器选用矿用电容式起爆器，爆破网路采取串联方式。
3)一次起爆雷管数量。每次起爆雷管数量可根据起爆器起爆能力进行确定。经验表明，按起爆器最大起爆量1/3确定一次起爆雷管数量，能够保证每一枚雷管获得相应的准备电流，确保雷管按时起爆。
3.4 爆破飞石及爆破冲击波控制
1)爆破飞石控制。为控制爆破过程中飞石问题，首先，采用药壶爆破的装药形式，由于其爆破能量主要作用于下部岩体，因而向上扩散能量较小，可有效控制飞石距离；其次，药壶爆破埋深较浅，加之沟谷西部为黄土覆盖层，爆破后不会产生飞石。因此，爆破过程中，为防止远距离飞石产生，应采取如下措施：①控制单个炸点装药量，一般条件下，单个炸点装药量不超1 kg；②药壶坑深不大于2倍药包直径，即药包放入坑内需满足药包上部与地表齐平；③药包上部覆盖采用编织袋装土的形式，每个药包上部压一个装土的编织袋，此外，安全起爆距离不能小于100 m。
2)爆破冲击波控制。冲击波大小和破坏程度与一次起爆炸药量有关，即一次爆破药量越大，产生的冲击波越强，危害越大。本次爆破在野外进行，由于周围没有建筑物、设备等物体，所以，仅考虑爆破冲击波对施工人员的影响。由于该爆破属小药量多炸点的分散型爆破，产生冲击波强度较弱，而且，爆破冲击波在空气中衰减很快，导致爆破冲击波影响范围不超过10 m，故可不考虑冲击波对人影响。
4 挤压爆破裂隙治理应用实例
4.1 现场过程
地表为岩石沉陷裂隙，具有宽度大，深度深等特点，故挤压爆破裂隙治理主要分为4步：开挖沟槽、布置炸药实施挤压爆破、铺设金属网和回填沟槽并夯实，如图7所示。
1)开挖沟槽。从地表进行下挖，将上部风化或松散岩石清除，露出实体岩石，如图7a所示。
2)挤压爆破：根据裂隙宽度，选取合理炸药布置方案以及爆破参数，进行挤压爆破，如图7a所示。
3)铺设金属网：爆破后，将沟槽底部找平、压实、铺钢筋网，如图7b所示。
4)回填沟槽并夯实：铺设金属金属网后，将沟槽进行回填并夯实，如图7c所示。其原因为当下部岩层发生轻微移动，岩层或土层向两侧运动，岩石拉裂，当传递到上部金属网面时，由于金属网比土层或岩层有较强抗拉性，裂隙会沿着金属网向下部向两侧运动，避免向上传递，同时由于金属网和上部夯实土层具有一定承载力，进而可确保地表完整性和安全性。
图7 挤压爆破实施过程
Fig.7 Implementation process of extrusion blasting
4.2 效果分析
实施挤压爆破以后，结合地面沉降监测数据，地表沉陷裂隙得到有效改善，满足了矿井正常生产。此外，挤压爆破充填裂隙治理技术不需打设钻孔，且不需准备充填料，同时无需施工准备期，与其他充填治理裂隙方法相比，经初步保守测算，利用挤压爆破治理裂隙可节约工程费用约20%，缩短施工时间大约30%，具有较好的经济效益。
5 结 论
1)塔山煤矿30509工作面地面沉陷裂隙是多层采空区顶板垮落共同作用结果，裂隙类型为岩石裂隙与土层裂隙，沟谷东部基岩出露较多，为岩石裂隙，沟谷西部地表覆盖较厚土层，为一般土层裂隙；裂隙最大宽度超过2 m，最大沉降深度达6 m。
2)岩石裂隙采用挤压爆破充填方案，裂隙宽度大于100 cm时，采用双侧布置炸点挤压爆破法，宽度为30～100 cm时，采用单侧布置炸点挤压爆破法，宽度为20～30 cm时，采用裂隙内侧布置炸点挤压爆破法。土层裂隙采用松动爆破充填方案，裂隙宽度大于70 cm时，选用裂隙内双侧布置炸点爆破法，宽度小于70 cm时，选用裂隙内单侧布置炸点爆破法。
3)提出采用铺设金属网和上部夯实土层的回填技术，该技术可确保裂隙沿金属网向下部向两侧运动，避免向上传递，同时金属网和上部夯实的土层具有一定的承载力，可确保地表完整和安全。实施挤压爆破以后，结合地面沉降监测数据，地表沉陷裂隙得到有效改善，满足了矿井生产。
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