爆破卸壓技術(shù)在深部煤層防治沖擊地壓中的應(yīng)用

宋煥虎魏 輝

（1.開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266000）

爆破卸壓技術(shù)在深部煤層防治沖擊地壓中的應(yīng)用

宋煥虎1魏 輝2

（1.開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266000）

以唐山礦Y484工作面為例，采用爆破卸壓技術(shù)對(duì)巷道進(jìn)行了沖擊地壓防治技術(shù)的研究。在對(duì)工作面具體地質(zhì)條件及沖擊傾向性分析的基礎(chǔ)上，研究了爆破前后工作面上覆巖層的應(yīng)力分布情況，并結(jié)合RFPA數(shù)值模擬對(duì)比爆破卸壓前后煤體的集中應(yīng)力分布和能量轉(zhuǎn)移范圍。試驗(yàn)證明爆破卸壓使煤體應(yīng)力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移了10 m左右，降低了巷道煤壁側(cè)的沖擊地壓危險(xiǎn)。并在工作面成功應(yīng)用了爆破卸壓技術(shù)，取得了較好的卸壓效果。

深部巷道 爆破卸壓 RFPA數(shù)值模擬 沖擊地壓防治

隨著采煤深度的增加，煤巖體的垂直應(yīng)力增大，礦壓分布規(guī)律顯現(xiàn)異常復(fù)雜，致使越來越多的煤礦動(dòng)力災(zāi)害事故發(fā)生。深部沖擊地壓主要發(fā)生在巷道的掘進(jìn)和回采期間，巷道承受不同應(yīng)力的耦合作用，很容易在巷道周圍積聚能量，當(dāng)受到采動(dòng)應(yīng)力的擾動(dòng)，就會(huì)發(fā)生破壞程度不同的沖擊地壓事故。由此可見巷道的沖擊地壓防治技術(shù)是深部礦井安全生產(chǎn)需要解決的重要問題之一。經(jīng)過大量工程實(shí)踐得出，爆破卸壓技術(shù)簡單有效，能夠有效釋放煤體內(nèi)積聚的彈性能，減緩煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中，能夠達(dá)到防治沖擊地壓的目的。

唐山礦業(yè)集團(tuán)開采平均深度達(dá)到1000 m，大多數(shù)工作面處于應(yīng)力集中區(qū)域，開采時(shí)受到各個(gè)方向應(yīng)力的疊加作用，產(chǎn)生較大的沖擊彈性能，沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害頻繁發(fā)生，對(duì)礦井開采造成較大影響。為此以Y486工作面為對(duì)象，在對(duì)爆破卸壓原理認(rèn)知的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法直觀分析了工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域爆破前后集中應(yīng)力和能量積聚的情況，并在工程中進(jìn)一步驗(yàn)證了爆破卸壓技術(shù)防治沖擊地壓的可靠性和實(shí)用性，也體現(xiàn)了爆破卸壓技術(shù)在沖擊地壓防治方面的優(yōu)勢。

1　工作面概況

唐山煤礦Y486工作面位于岳胥區(qū)，為8#、9#合區(qū)煤層工作面，開采深度-775～-1025 m，平均深度900 m，已大大超過沖擊地壓臨界深度。8#、9#合區(qū)煤層厚度在9～11 m，均厚9.8 m，煤層傾角16°～37°，平均25°。煤層含1～2層夾石，厚度在0.1～1.2 m左右；局部復(fù)合頂板發(fā)育，由1～2層煤線和砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，厚度0.1～1.2 m之間，易冒落。

工作面頂板由1.1 m厚的砂質(zhì)泥巖和3.4 m厚的粉砂巖組成，底板由1.2 m的碳質(zhì)泥巖和7.8 m厚的粉砂巖組成。由此可看出，工作面基本頂較堅(jiān)硬，能夠積聚較大的沖擊彈性能，在采掘擾動(dòng)下易發(fā)生沖擊地壓。

2　爆破卸壓作用及原理

在具有沖擊傾向性的煤巖體中積聚大量彈性能，尤其是在工作面開采時(shí)，工作面及上下兩巷更容易積聚能量，利用爆破卸壓技術(shù)可以將積聚能量向煤體深部轉(zhuǎn)移，達(dá)到防治沖擊地壓的目的。

2.1爆破卸壓作用

煤層爆破卸壓是用爆破的方法減緩其應(yīng)力集中和能量積聚程度，達(dá)到卸壓解危的目的。爆破卸壓能夠同時(shí)減弱或消除沖擊地壓發(fā)生的強(qiáng)度條件和能量條件；對(duì)煤巖體進(jìn)行弱化處理，降低其強(qiáng)度，預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生；煤層強(qiáng)度弱化后，使得應(yīng)力高峰區(qū)和能量積聚區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移，并降低應(yīng)力集中程度；在監(jiān)測到有沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域時(shí)，加大裝藥量進(jìn)行爆破，釋放大量的爆破能，人為地誘發(fā)沖擊地壓，使沖擊地壓發(fā)生在適合的時(shí)間和地點(diǎn)，從而避免更大的沖擊危險(xiǎn)。

2.2爆破卸壓原理

爆破卸壓屬于內(nèi)部爆破，主要作用是使煤層產(chǎn)生大量裂隙。爆破卸壓前后支承壓力曲線分布如圖1所示，曲線①是爆破前支承壓力分布，在煤壁處應(yīng)力高度集中；曲線②是爆破后支承壓力分布，進(jìn)行鉆孔爆破后，沖擊波首先破壞煤體，然后爆生氣體進(jìn)一步使煤體破裂，由于氣壓的作用，形成切向拉應(yīng)力，產(chǎn)生徑向拉破壞。當(dāng)裂隙前端的應(yīng)力強(qiáng)度因子小于斷裂韌性時(shí)，裂隙停止發(fā)生。裂隙和孔縫的存在，導(dǎo)致煤體彈性模量減小，強(qiáng)度降低，積聚的能量減少，破壞了應(yīng)力顯現(xiàn)發(fā)生的強(qiáng)度條件和能量條件，使彈性能向煤體深部轉(zhuǎn)移，降低了巷道周圍的應(yīng)力集中和能量積聚。

圖1　爆破卸壓前后支承壓力曲線分布

3　爆破卸壓數(shù)值模擬研究

采用RFPA數(shù)值模擬軟件對(duì)爆破前后巷道周圍的應(yīng)力分布和能量轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行模擬。RFPA主要模擬脆性介質(zhì)的破壞過程，并采用均質(zhì)度描述介質(zhì)的非均質(zhì)性，符合煤巖體的破壞本質(zhì)。爆破卸壓的原理就是改變煤巖體的均質(zhì)度，來達(dá)到降低煤體強(qiáng)度的目的。因此使用RFPA模擬分析爆破卸壓前后危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力集中程度和能量轉(zhuǎn)移情況，能夠直觀分析和確定沖擊地壓危險(xiǎn)程度，為開采時(shí)的沖擊地壓防治打下基礎(chǔ)。

3.1模型建立

模型網(wǎng)格劃分成100×200個(gè)單元網(wǎng)格，代表50 m×100 m，即每一個(gè)單元格代表0.5 m。模型上方加載均布載荷，由于煤層采深較大，且該模型受到采空區(qū)和塑性區(qū)的影響，所以在Y方向施加壓力要小于其實(shí)際壓力，即加載20 MPa，X方向加零位移約束，計(jì)算步數(shù)為3步（不包括步中步），采用自重加載方式。將模型視為二維問題，建立平面應(yīng)變力學(xué)模型。在計(jì)算模型中，對(duì)模型兩側(cè)施加水平方向位移約束，限制其水平位移；底邊則限制垂直及水平兩個(gè)方向的位移。巖石力學(xué)參數(shù)假定符合Weibull分布，巖石破裂采用庫侖—摩爾強(qiáng)度準(zhǔn)則判斷。

3.2數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

（1）爆破卸壓前。模擬在未受到爆破卸壓時(shí)巷道的應(yīng)力分布及能量積聚情況，圖2（a）、（b）、（c）分別為巷道的主應(yīng)力圖、聲發(fā)射圖和垂直應(yīng)力分布圖。

從圖2（a）、（b）能夠看出未進(jìn)行爆破時(shí)巷道周圍煤體的破壞情況，由于巷道右側(cè)為采空區(qū)，處于完全的破壞狀態(tài)，而巷道的左側(cè)是實(shí)體煤，故煤體的上覆巖層支承壓力全部轉(zhuǎn)移到巷道左側(cè)煤體上，巷道受到上覆巖層的集中應(yīng)力作用，在巷道周圍積聚大量彈性能，尤其是靠煤壁側(cè)巷道出現(xiàn)大幅度破壞，且主應(yīng)力明顯大于其他區(qū)域；由于巷道靠煤壁側(cè)能量大，聲發(fā)射主要集中在巷道左側(cè)邊緣部位，且比較密集，發(fā)生沖擊地壓的可能性較大。由圖2（c）可知，巷道左側(cè)垂直應(yīng)力出現(xiàn)高度集中，在超前煤壁6 m處（每個(gè)單元格0.5 m）達(dá)到最大支承壓力，最大值達(dá)到36 MPa，是原巖應(yīng)力的1.8倍，峰值影響區(qū)距離巷道7～8 m，隨著煤體的破壞，應(yīng)力逐步向煤體深部轉(zhuǎn)移并在20 MPa上下浮動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，與理論計(jì)算所得出的垂直應(yīng)力相符合。

圖2　爆破卸壓前巷道模擬結(jié)果

（2）爆破卸壓后。對(duì)巷道進(jìn)行爆破卸壓模擬，即減小巷道左側(cè)煤體的均質(zhì)度，增加煤體中節(jié)理、裂隙和孔洞的數(shù)量，得到圖3（a）、（b）、（c）模擬巷道爆破卸壓后的應(yīng)力分布、聲發(fā)射積聚及垂直應(yīng)力分布情況。

由圖3（a）可知，對(duì)巷道左側(cè)進(jìn)行爆破卸壓后，巷道周圍巖體的應(yīng)力明顯降低，隨著煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的松散，應(yīng)力逐漸向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，破壞程度主要集中在煤體內(nèi)部，而巷道邊緣處與爆破前相比，破壞程度有所減小，巷道的完整性保存較好；由圖3（b）可知，巷道邊緣部位聲發(fā)射不明顯，密集程度不高，聲發(fā)射主要集中在煤體深部，密集程度高，說明能量由于爆破作用向煤體爆破區(qū)域轉(zhuǎn)移，從而保護(hù)巷道；圖3（c）顯示，隨著載荷的增大，應(yīng)力峰值逐步向煤體深部轉(zhuǎn)移，由距煤壁6 m處增加到距煤壁17 m左右，而爆破區(qū)域的應(yīng)力在5 MPa上下，可見，爆破卸壓使巷道邊緣處應(yīng)力降低并向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，達(dá)到卸壓效果。這說明爆破卸壓對(duì)煤巖體造成了損傷破壞，釋放了巷道附近圍巖積聚的彈性應(yīng)變能，對(duì)前方的煤巖體也起到了松散作用，從而解除了沖擊地壓發(fā)生所具備的強(qiáng)度條件和能量條件，防止沖擊地壓的發(fā)生。

圖3　爆破卸壓后巷道模擬結(jié)果

4　爆破卸壓技術(shù)的工程應(yīng)用

在Y486工作面開采前或距開采煤壁200 m時(shí)要完成對(duì)回風(fēng)巷沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域的爆破卸壓工作。在危險(xiǎn)區(qū)域每隔8 m布置一個(gè)爆破卸壓鉆孔，按具體情況增減鉆孔間距，孔徑42 mm；鉆孔深度8.0 m；鉆孔斜向上3°～5°，鉆孔距離底板1.2 m；每孔填藥量為2 m，共4個(gè)500 mm藥卷，每兩個(gè)藥卷連接一個(gè)雷管，共2個(gè)雷管。爆破卸壓具體參數(shù)見圖4所示。

對(duì)回風(fēng)巷危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行爆破卸壓處理后使用鉆屑法檢驗(yàn)解危效果，在爆破鉆孔之間打孔稱取煤粉量，取部分檢測鉆孔（圖4中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 位置的孔）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。鉆孔直徑42.0 mm，孔深7.0 m，間距8.0 m，孔距底板1.2 m左右，單排布置，鉆孔方向?yàn)樗酱怪毕飵?。根?jù)煤粉量大小判斷沖擊地壓的危險(xiǎn)程度。卸壓后鉆屑法監(jiān)測的煤粉量見表1，煤粉量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沖擊地壓危險(xiǎn)臨界值（臨界值根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)得出為3.5 kg/m），說明工作面回風(fēng)巷的沖擊危險(xiǎn)得以消除。

圖4　爆破卸壓示意圖

表1　卸壓后鉆屑法監(jiān)測記錄

5　結(jié)論

（1）通過對(duì)爆破卸壓原理的研究，分析了工作面爆破卸壓前后巷道煤壁處的應(yīng)力分布及能量積聚狀態(tài)，從理論上解釋了爆破后應(yīng)力集中程度及峰值范圍的變化規(guī)律，集中應(yīng)力及能量通過爆破作用向煤體深部轉(zhuǎn)移，降低了煤壁處積聚的彈性能。

（2）利用RFPA有限元數(shù)值模擬方法研究了巷道爆破卸壓前后的應(yīng)力大小和聲發(fā)射情況，通過對(duì)比分析，得出爆破卸壓使得應(yīng)力峰值向煤壁深部轉(zhuǎn)移了10 m左右，擴(kuò)大了低應(yīng)力區(qū)的范圍，轉(zhuǎn)移了積聚的沖擊能，保護(hù)了巷道的完整性，所得模擬結(jié)果與實(shí)際相符，說明數(shù)值模擬方法對(duì)研究沖擊地壓爆破卸壓具有一定指導(dǎo)意義。

（3）根據(jù)工作面的具體應(yīng)用，驗(yàn)證了爆破卸壓技術(shù)對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)的減弱和消除作用，并通過鉆屑法檢驗(yàn)了卸壓效果，消除了沖擊地壓的危險(xiǎn)性，保證了工作面的安全開采。

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（責(zé)任編輯 張毅玲）

安徽省探獲華東地區(qū)單個(gè)最大煤礦

日前，《安徽省淮南煤田潘集煤礦外圍煤炭勘查（階段）報(bào)告》通過安徽省國土資源廳組織的專家評(píng)審。此次勘查共探獲煤炭資源量47.92億t，其中包括1/3焦煤資源量25.73億t、氣煤資源量22.19億t，規(guī)模達(dá)到特大型，是目前華東地區(qū)單個(gè)最大煤礦。

Application of blasting destressing technology in preventing and controlling rock burst in deep coal seam

Song Huanhu1，Wei Hui2
（1.Tangshan Mining Branch of Kailuan Group Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei 063000，China；2.College of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266000，China）

For Y484 working face of Tangshan Mine，the research on prevention and control of rock burst was carried out with blasting distressing technology.Based on analysis of geological conditions and rock burst tendency in working face，stress distribution in overlying strata before and after blasting was researched，and the concentrated stress distribution and energy transfer range before and after blasting and stress releasing were contrasted using RFPA numerical simulation method.Tests had proved that blasting distressing technology let the position of peak stress move towards deep part of coal about 10 m，and reduced the risk of rock burst in the coal wall side.The blasting distressing technology was applied successfully in working face and achieved preferable destressing effect.

deep roadway，blasting distressing，RFPA numerical simulation，prevention and control of rock burst

TD353

A

宋煥虎（1971-），男，河北省豐寧縣人，采煤高級(jí)工程師，現(xiàn)任開灤（集團(tuán)）唐山礦業(yè)分公司總工程師。