急傾斜特厚煤層間巖柱地面深孔爆破預(yù)裂試驗(yàn)及效果研究

曹民遠(yuǎn)

（神華新疆能源有限責(zé)任公司烏東煤礦，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830027）

1 概述

烏東煤礦南采區(qū)位于八道灣向斜南翼，基本構(gòu)造呈向南傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角87°，現(xiàn)主采B1+2和B3+6兩組煤，B1+2煤層平均厚度37.45 m，B3+6煤層平均厚度48.87 m，為近直立特厚煤層。在B1+2和B3+6煤層之間賦存53～110m 厚的巖柱，巖柱由西向東逐漸變薄，整體以粉砂巖為主。烏東煤礦南采區(qū)采用垂直分段綜采放頂煤采煤工藝進(jìn)行回采，現(xiàn)已回采至+500 m 水平，工作面埋深約350m。

烏東煤礦前期淺部開采時，巷道壓力顯現(xiàn)并不明顯，但是隨著開采深度的不斷增加和開采強(qiáng)度的進(jìn)一步增大，巷道出現(xiàn)頂沉、幫鼓和底鼓等變形破壞現(xiàn)象，尤其是巷道底鼓問題嚴(yán)重，巷道維護(hù)困難。B3+6煤層回采至+500m 水平后，沖擊地壓等動力現(xiàn)象開始顯現(xiàn)，先后在+500m 水平B3+6綜采面和五一煤礦邊界煤柱區(qū)域 （以下簡稱高階段煤柱區(qū)域）發(fā)生2次沖擊地壓顯現(xiàn)事件，造成串車掉道等沖擊破壞事故。隨著開采進(jìn)一步向下延伸巷道變形破壞和沖擊動力現(xiàn)象呈現(xiàn)逐漸加重的趨勢。

2 烏東煤礦南采區(qū)沖擊地壓原因分析

在第一次沖擊地壓動力現(xiàn)象發(fā)生后，烏東煤礦南采區(qū)先后引進(jìn)了多種監(jiān)測系統(tǒng)，形成了覆蓋地面至+400 m 水平全方位的立體化沖擊地壓監(jiān)控體系。對微震、地音、電磁輻射等監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，B2-B3煤層間的巖柱是造成應(yīng)力集中的主要原因，回采期間微震事件頻繁發(fā)生，烏東煤礦南采區(qū)微震事件分布如圖1所示。烏東煤礦南采區(qū)沖擊地壓發(fā)生原因?yàn)閮蓚?cè)采空的巖柱體在自重和水平地應(yīng)力作用下產(chǎn)生彎曲后對開采水平及以下的煤體產(chǎn)生撬動作用，使煤體產(chǎn)生應(yīng)力及能量集中，在采掘活動和 （人工、自然）動載的擾動下發(fā)生沖擊地壓。

3 地面巖柱爆破卸壓

烏東煤礦南采區(qū)近直立煤層沖擊地壓的防治雖然采取了一定的措施，但是效果并不明顯，主要原因在于中間53～110m 寬的巖柱體，并不隨煤層開采而斷裂冒落，而是作為一個整體發(fā)生彎曲變形，在工作面或回采巷道采取的打鉆爆破等局部解危措施僅起到小范圍卸壓作用，并不能大范圍的釋放巖柱體內(nèi)因彎曲變形而聚集的彈性能，沖擊危險仍然存在。因此采用地面深孔爆破方式對中間巖柱體進(jìn)行預(yù)裂處理，降低其完整性和應(yīng)力集中，減小巖體內(nèi)彈性能的聚集，進(jìn)行沖擊地壓的治理。

圖1 烏東煤礦南采區(qū)微震事件分布

3.1 地面巖柱爆破卸壓原理

地面深孔爆破能夠在巖體內(nèi)產(chǎn)生爆轟壓力和振動作用，在一定的振動頻率和應(yīng)力作用范圍內(nèi)，煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在地面沿巖柱傾向方向深孔松動爆破卸壓措施可以沿巖柱傾向方向形成一道裂隙帶，在巖柱傾向方向形成一道薄弱環(huán)節(jié)，破壞巖柱的整體性，切斷巖柱應(yīng)力傳播渠道，從而破壞發(fā)生沖擊地壓的強(qiáng)度條件和能量條件，減少巖體內(nèi)應(yīng)力集中和彈性能的積聚，達(dá)到防治沖擊地壓的目的。

3.2 地面深孔爆破參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)對巖柱進(jìn)行松動爆破，破壞巖柱的整體性，盡可能降低巖柱自重影響彎曲變形對開采水平及以下水平掘進(jìn)工作面的撬動作用，在進(jìn)行爆破前，需要對爆破孔位置、爆破孔直徑、炮眼間距等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.1 爆破孔位置

B3+6煤層距分段石門1380～1420 m，是原大洪溝礦與原五一煤礦邊界煤柱，前期探測結(jié)果表明，該區(qū)域煤柱完整性較好，采掘工作面接近該區(qū)域時出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，采掘工作面在該區(qū)域附近作業(yè)時出現(xiàn)多次強(qiáng)沖擊地壓顯現(xiàn)，為徹底弱化高階段巖柱對回采工作的影響，本次地面預(yù)裂爆破孔設(shè)置在地面沿B2-B3巖柱傾向方向，距離石門1400m 處，爆破孔布置如圖2所示。

圖2 地面巖柱爆破孔布置平立面圖

3.2.2 爆破孔直徑

采用深孔爆破弱化巖柱，應(yīng)選擇適合的炮孔直徑。當(dāng)炮孔直徑較小時，裝藥比較困難，而且爆破影響范圍與炮孔爆破直徑成正比關(guān)系，炮孔孔徑小爆破效果較差，但當(dāng)炮孔直徑太大時，經(jīng)濟(jì)投入較大，而且增加了施工難度。因此，深孔爆破弱化頂?shù)装迮诳字苯?jīng)不能太大也不能太小，兼顧爆破效果和現(xiàn)場實(shí)際，確定深孔爆破炮孔直徑為?300mm。

3.2.3 爆破孔深度

為避免地面深孔爆破對+500m 水平回采工作面和回采巷道的影響，并且起到較好的爆破效果，應(yīng)對爆破深度進(jìn)行合理的設(shè)置。根據(jù)薩道夫斯基振動速度公式：

式中：R——爆破振動允許距離，m；

Q——指最大單段藥量，本次試驗(yàn)工程設(shè)計(jì)每孔兩段裝藥，最大一段單響藥量為5760kg；

v——安全質(zhì)點(diǎn)振動速度，根據(jù) 《爆破安全規(guī)程》對永久性巖石高邊坡安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度取最小值5.0cm／s；

m——藥量指數(shù)，取1／3；

k，?——與爆破地點(diǎn)地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，B2-B3巖柱巖石主要由炭質(zhì)泥巖和砂巖構(gòu)成，屬于軟巖石，根據(jù) 《爆破安全規(guī)程》得k=270；?=3.0。

將各數(shù)據(jù)代入式 （1），計(jì)算得爆破孔向下影響范圍為67.7m，為確保+500 m 水平綜采工作面巷道不受爆破影響，調(diào)高了安全系數(shù)，按照100m安全距離計(jì)算，則爆破孔設(shè)計(jì)深度為250m，地面標(biāo)高為+850m 水平，因此孔底標(biāo)高為+600m 水平。

3.2.4 爆破孔排距

根據(jù)炸藥松動巖石半徑公式：

式中：R——爆破松動半徑；

K——根據(jù)巖性取值，取1。

將各數(shù)據(jù)代入式 （2），計(jì)算得爆破松動半徑為17.9m。由于本次對巖柱爆破為首次爆破，為增加爆破松動效果，本次爆破排距設(shè)計(jì)為7m，孔間距為10 m，共布置兩排每排兩個炮孔，炮孔成“三花孔”布置。

3.2.5 裝藥設(shè)計(jì)

本次爆破工程每孔分兩段裝藥，兩段炸藥中間采用木頭、細(xì)沙充填，每段裝藥量5760kg。第一段裝藥時先裝入一定藥量，保證孔壁上的浮渣被清理干凈，然后開始正常裝藥，第一段裝藥控制在60m，每米裝藥量96kg，共計(jì)裝藥5760kg，該段裝藥充填采用直徑為200mm 的圓木，其長度取0.3m，在充填時，保證圓木底部距離炸藥上表面4m，留給炸藥合理的爆轟空間，將圓木用鋼絲在地面固定，圓木上充填10m 細(xì)沙，然后開始第二段裝藥。起爆藥包由100mm 的皮管保護(hù)，用膠帶纏好固定在電纜上和鋼絲繩上，每一段裝兩組起爆藥包，每組兩個藥包，藥包采用延期電雷管引爆，從而引爆炸藥，每個藥包起爆能力為2t乳化炸藥，每組藥包間距為15m。

4 爆破卸壓效果檢驗(yàn)

為有效對地面深孔爆破卸壓進(jìn)行效果評價，采用布置在+500m 水平的ARAMIS M／E 微震監(jiān)測系統(tǒng)微震事件頻次和時空分布進(jìn)行對比分析，同時采用PASAT-M 探測系統(tǒng)對爆破前后+500m 水平巖柱應(yīng)力分布平面云圖進(jìn)行對比，綜合評價地面深孔爆破效果。

4.1 微震監(jiān)測評價

圖3 地面爆破前3d微震事件分布

爆破前3d共監(jiān)測微震事件206次，微震事件主要分布在+500m 水平工作面前方250m 范圍的頂?shù)装鍘r層以及采空區(qū)后方200 m 范圍的頂?shù)装鍘r層中，豎直分布主要集中在低位巖層，即+475～+525m 水平之間采掘空間；同時，一部分微震事件分布在豎直范圍為+550～+650 m 水平之間的高階段煤體內(nèi)。大能量事件 （＞105J，圖中深色球）產(chǎn)生主要集中在低位巖層，即+475～+525m之間。如圖3所示。

地面深孔爆破后3d共監(jiān)測微震事件162次，微震事件平面位置主要分布在回采工作面附近，微震事件平面分布未發(fā)生明顯變化；豎直方向上微震事件在低位巖層分布變化不大，仍處在+475～+525m 水平的采掘活動空間內(nèi)，而微震事件在高位巖層的分布變化較大，集中區(qū)域由+550～+650m 之間變化為+650～+750 m 水平之間；大能量事件產(chǎn)生主要集中在低位巖層，即+475～+525m 之間，高位巖層也出現(xiàn)大能量事件，但距離采掘面工作面較遠(yuǎn)。

地面深孔爆破后，微震監(jiān)測結(jié)果具有以下幾點(diǎn)變化：

（1）微震頻次和能量明顯降低。爆破前根據(jù)以往監(jiān)測結(jié)果表明，微震事件發(fā)生較多，尤其是當(dāng)工作面推進(jìn)至高階段煤柱附近區(qū)域時，微震事件更為集中和頻繁，采掘水平和高階段煤柱附近區(qū)域微震次數(shù)均有增加。爆破后+500m 回采水平仍有微震事件發(fā)生，但是頻次明顯減少，屬于開采擾動后應(yīng)力正常釋放，高階段煤柱附近幾乎沒有微震事件發(fā)生，覆巖釋放的能量和頻次明顯降低，能量降低近2倍，微震事件次數(shù)由206次減少到160次，各能量等級的微震事件發(fā)生頻次均降低，且高能量等級的頻次降低幅度最大，說明高階段煤柱和煤層間巖柱體內(nèi)應(yīng)力得到充分釋放；

表1 地面爆破前后微震事件對比

（2）高位巖層+650～+750 m 范圍開始活動。地面爆破前，巖層活動的高度在+550m 水平以下，微震事件主要分布在工作面頂?shù)装鍘r層和高階段煤柱以及附近巖層內(nèi)，深孔爆破后3d 內(nèi)微震監(jiān)測結(jié)果表明，高階段煤柱微震事件發(fā)生次數(shù)明顯減少，而+650～+750 m 范圍內(nèi)的巖柱體開始出現(xiàn)微震且有大能量事件的發(fā)生，說明在爆破沖擊作用下，引起高位巖層活動，上方巖柱體為整體強(qiáng)度被弱化，開始產(chǎn)生裂縫并發(fā)生破斷坍塌，產(chǎn)生微震事件。深孔爆破前后微震事件頻次和能量分布如表1和圖4所示。

圖4 地面爆破前后3d微震事件對比分布

4.2 PASAT-M 探測

通過對B2-B3煤層間巖柱爆破前后PASATM 探測，地面爆破前，巖柱應(yīng)力集中影響區(qū)域范圍較大，應(yīng)力集中程度較高；地面爆破后，巖柱高應(yīng)力集中影響范圍及應(yīng)力集中程度明顯降低，且出現(xiàn)多個應(yīng)力明顯降低區(qū)域。測試區(qū)域巖柱平均波速由原來的3.8m／ms降為3.6 m／ms，巖柱應(yīng)力整體上出現(xiàn)明顯降低，可見地面深孔爆破使得巖柱應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)彈性能量得到有效釋放，降低礦井應(yīng)力集中程度。

5 結(jié)論

（1）烏東煤礦南采區(qū)沖擊地壓發(fā)生的主要原因?yàn)閮山M煤采空區(qū)中間巖柱在自重和水平地應(yīng)力作用下產(chǎn)生彎曲后對開采水平及以下的煤體產(chǎn)生撬動作用，在巖柱體底部和煤體中產(chǎn)生應(yīng)力集中及彈性能的聚集，在巷道掘進(jìn)和兩回采工作面的動壓擾動下發(fā)生沖擊地壓。

（2）微震監(jiān)測結(jié)果表明：地面爆破后，微震事件頻次和能量明顯降低，事件頻次降低34%，能量降低近2倍，且各能量等級的微震事件發(fā)生頻次均降低，說明地面深孔爆破使得中間巖柱體彈性能得到了充分的釋放，緩解了高階段煤柱附近的應(yīng)力集中，并且起到了弱化中間巖柱體的作用。

（3）PASAT-M 探測結(jié)果表明，巖柱的應(yīng)力集中程度明顯降低，應(yīng)力集中區(qū)域明顯減少，說明地面深孔爆破預(yù)裂試驗(yàn)效果明顯，對于中間巖柱體起到了良好的卸壓作用。

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