深部掘進(jìn)巷道爆破卸壓防治沖擊地壓技術(shù)

馬文濤， 馬小輝， 呂大釗， 王冰， 朱剛亮

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部， 北京 100013； 2.中煤科工開采研究院有限公司， 北京 100013； 3.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司， 陜西 咸陽 712000)

0 引言

隨著我國煤炭資源開發(fā)向深部開展，深部礦井沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害頻次及強(qiáng)度劇增[1-3]。掘進(jìn)巷道作業(yè)人員集中，大型機(jī)械、施工機(jī)具及鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)材料集中布置[4]，一旦沖擊地壓發(fā)生，極易對作業(yè)人員造成強(qiáng)烈擠壓[5-6]。另外，掘進(jìn)巷道僅有單向逃生通道，強(qiáng)烈沖擊地壓可引起巷道局部閉合，將作業(yè)人員集中困于工作面附近，且通風(fēng)系統(tǒng)遭到破壞，造成人員瓦斯窒息[7-8]。

針對深部掘進(jìn)巷道沖擊地壓災(zāi)害問題，目前大多采用大直徑鉆孔卸壓方式。王愛文等[9]認(rèn)為煤層鉆孔具有降低煤體沖擊傾向、引導(dǎo)和控制煤體變形、增加變形能耗散的作用。賈傳洋等[10]通過研究發(fā)現(xiàn)煤層大直徑鉆孔越深、孔徑越大、孔間距越小，鉆孔周圍煤體裂縫越易擴(kuò)展、連通，從而達(dá)到較好的卸壓效果。李云鵬等[11]指出卸壓鉆孔孔徑越大，卸壓效果越好，但鉆孔直徑超過臨界值后對煤體的擾動(dòng)增強(qiáng)，并可能引發(fā)沖擊地壓。大直徑鉆孔卸壓是通過高應(yīng)力作用下被動(dòng)塌孔形式降低高應(yīng)力集中程度，對松軟煤層的卸壓效果較好，但存在卸壓強(qiáng)度低、卸壓不及時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，且針對堅(jiān)硬煤層的適應(yīng)性較差，大直徑鉆孔不能及時(shí)垮塌，煤層應(yīng)力未有效降低，難以有效防治沖擊地壓災(zāi)害。

爆破卸壓通過主動(dòng)致裂煤層避免高集中應(yīng)力形成，具有卸壓及時(shí)、卸壓強(qiáng)度大及對地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，可快速、有效降低煤層應(yīng)力集中程度。本文以陜西彬長礦區(qū)孟村煤礦為背景，分析深部掘進(jìn)巷道沖擊地壓發(fā)生主控因素，開展爆破卸壓防治沖擊地壓試驗(yàn)，以期為類似條件的礦井沖擊地壓防治提供有益借鑒。

1 工程背景

孟村煤礦位于陜西彬長礦區(qū)中西部，與胡家河、小莊井田相鄰，井田面積為63.6 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為6 Mt/a，服務(wù)年限為71.3 a。401103工作面主采4號煤層，平均埋深為730 m，可采走向長度為1 849 m，傾向長度為180 m，面積為332 820 m2，401103工作面與401102工作面之間留設(shè)40 m區(qū)段煤柱。401103工作面范圍內(nèi)煤層整體北邊厚、南邊薄，厚度為20～26 m，平均煤厚為23.5 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～1層夾矸，煤層傾角為-5～3°，平均傾角為-1°。頂板以粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖為主，底板以泥巖、細(xì)粒砂巖為主，401103工作面頂?shù)装鍘r層柱狀圖如圖1所示。

圖1 401103工作面頂?shù)装鍘r層柱狀圖Fig.1 Histogram of roof and floor strata of 401103 working face

401103工作面巷道布置如圖2所示。401103回撤通道南北布置，開口位置位于401103運(yùn)輸巷，由北向南掘進(jìn)期間受F1斷層(落差30 m)構(gòu)造等影響，易引發(fā)沖擊地壓。

圖2 401103工作面巷道布置Fig.2 Roadway layout of 401103 working face

401103回撤通道掘進(jìn)期間微震事件叢集，誘發(fā)的高能微震事件占比增加，且單個(gè)微震事件微震能級逐漸升高，高能微震事件發(fā)生時(shí)間間隔由11 d縮短為4 d。地音監(jiān)測危險(xiǎn)等級分布如圖3所示(2個(gè)地音探頭編號為g5，g7)，可看出a級(正常生產(chǎn))有38次，b級(正常生產(chǎn)，加強(qiáng)監(jiān)測)有30次，c級(停止生產(chǎn)，開展解危)有50次，d級(停止生產(chǎn)，等待危險(xiǎn)等級降至c級及以下后，開展解危)有54次。a級和b級次數(shù)占比為39.53%，c級和d級次數(shù)占比為60.47%，表明沖擊危險(xiǎn)性升高。

圖3 地音監(jiān)測危險(xiǎn)等級分布Fig.3 Hazard level distribution of ground sound monitoring

2 沖擊地壓發(fā)生主控因素分析

(1) 煤巖層強(qiáng)沖擊傾向性。煤層上分層沖擊傾向性指標(biāo)：動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間為72 ms，彈性能量指數(shù)為13.35，沖擊能量指數(shù)為6.2，單軸抗壓強(qiáng)度為19.37 MPa。煤層下分層沖擊傾向性指標(biāo)：動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間為112 ms，彈性能量指數(shù)為19.35，沖擊能量指數(shù)為4.26，單軸抗壓強(qiáng)度為26.88 MPa。頂板彎曲能量指數(shù)為20.83 kJ。根據(jù)煤巖層沖擊傾向性鑒定標(biāo)準(zhǔn)，煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板具有弱沖擊傾向性，表明煤巖系統(tǒng)具有發(fā)生沖擊地壓的能力。

(2) 大埋深。煤層埋深普遍大于600 m，超過了彬長礦區(qū)沖擊地壓發(fā)生的臨界深度，由此帶來較高的垂直應(yīng)力。在采掘過程中，由于加卸荷作用，導(dǎo)致巷道圍巖處于較高的偏應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力集中程度較高，集中靜載荷水平處于高位，沖擊危險(xiǎn)性顯著增強(qiáng)。

(3) 斷層構(gòu)造。斷層構(gòu)造影響區(qū)沖擊地壓發(fā)生機(jī)制如圖4所示，斷層誘發(fā)沖擊地壓過程可劃分為2個(gè)階段：工程擾動(dòng)激活斷層階段和斷層活化誘發(fā)沖擊階段。① 工程擾動(dòng)激活斷層階段。巷道掘進(jìn)至斷層構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)時(shí)，一方面巷道開挖形成的巷道區(qū)集中應(yīng)力疊加斷層區(qū)集中應(yīng)力，從而形成高集中應(yīng)力，使得主承載區(qū)煤體處于較高的集中靜載荷水平;另一方面，巷道內(nèi)掘進(jìn)、擴(kuò)修等工程擾動(dòng)會不斷影響斷層行為，并激活相對穩(wěn)定的斷層。② 斷層活化誘發(fā)沖擊階段。當(dāng)斷層承受載荷突破活化臨界條件后，主承載區(qū)較高的集中靜載荷疊加斷層能量積聚釋放的集中動(dòng)載荷，超過煤巖系統(tǒng)承載能力極限，進(jìn)而發(fā)生沖擊啟動(dòng)[12-14]。

(a) 工程擾動(dòng)激活斷層階段

(b) 斷層活化誘發(fā)沖擊階段

3 爆破卸壓技術(shù)原理

對巷道圍巖支承壓力峰值區(qū)域?qū)嵤┍菩秹?，主?dòng)致裂弱化圍巖，達(dá)到充分發(fā)揮圍巖承載能力及控制沖擊地壓的目的。爆破致裂過程是一個(gè)非常復(fù)雜的化學(xué)-物理過程，炸藥在孔內(nèi)爆炸時(shí)，由于沒有自由面，除了形成爆炸空腔外，由內(nèi)向外依次形成壓碎區(qū)、破裂區(qū)和震動(dòng)區(qū)，如圖5所示。通過爆破致裂方式對掘進(jìn)巷道圍巖進(jìn)行弱化[15]，從而在巷道圍巖內(nèi)形成卸壓保護(hù)帶(圖6)，緩和深部煤巖體的應(yīng)力傳遞。

圖5 爆破致裂分區(qū)特征Fig.5 Characteristics of blasting cracking zone

(a) 俯視圖

(b) 剖面圖

爆破卸壓前后應(yīng)力分布如圖7所示。利用爆破卸壓防治沖擊地壓作用表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)重建、應(yīng)力釋放及能量消耗。

(a) 卸壓前

(b) 卸壓后

(1) 結(jié)構(gòu)重建：改變巷道近場煤巖體結(jié)構(gòu)，一方面降低了沖擊傾向性，另一方面擴(kuò)大了主承載區(qū)范圍，充分發(fā)揮圍巖深部的承載能力。

(2) 應(yīng)力釋放：一方面降低了巷道圍巖支承壓力峰值，另一方面通過變形將支承壓力峰值向深部轉(zhuǎn)移，并釋放積聚的能量，降低基礎(chǔ)集中靜載荷，從而提高沖擊地壓發(fā)生門檻，達(dá)到降低沖擊危險(xiǎn)的目的。

(3) 能量消耗：消耗沖擊傳播的能量，一旦發(fā)生沖擊啟動(dòng)，爆破致裂分區(qū)產(chǎn)生的卸壓保護(hù)帶可作為吸能結(jié)構(gòu)，形成海綿體以保護(hù)巷道，由之前的應(yīng)力硬傳遞改變?yōu)閼?yīng)力軟傳遞，大量吸收沖擊能量，降低沖擊對巷道的影響，達(dá)到降低沖擊地壓顯現(xiàn)程度的目的。

4 工程實(shí)踐

4.1 爆破卸壓方案

為保障401103回撤通道掘進(jìn)期間安全，針對誘發(fā)沖擊啟動(dòng)的動(dòng)靜載荷源，制定了頂板、掘進(jìn)工作面、幫部爆破卸壓方案。

(1) 頂板預(yù)裂爆破。針對煤層上方厚硬頂板進(jìn)行深孔爆破弱化，確定煤層上方20.52 m粗粒砂巖、14.51 m細(xì)粒砂巖為弱化目標(biāo)層，采用φ60 mm被筒炸藥，每卷炸藥長度為350 mm、質(zhì)量為1.1 kg，線裝藥密度為3.14 kg/m。在401103回撤通道兩頂角分別施工頂板爆破孔，單排布置，即每個(gè)鉆場實(shí)施2個(gè)鉆孔，如圖8所示。頂板爆破孔參數(shù)：孔深為49 m，方位角分別為90°，270°，傾角為75°，孔徑為75 mm，裝藥量為60 kg，裝藥段長度為20 m，封孔段長度為29 m，孔間距為10 m。

(2) 掘進(jìn)工作面爆破。針對掘進(jìn)工作面前方應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行煤層爆破卸壓，掘進(jìn)工作面爆破孔采用正三花與倒三花交替布置方式，如圖9所示。采用φ32 mm乳化藥卷，每卷炸藥長度為200 mm、質(zhì)量為0.2 kg，線裝藥密度為1 kg/m。掘進(jìn)工作面爆破孔參數(shù)：孔深為10 m，方位角為180°，孔徑為42 mm，裝藥量為5 kg，裝藥段長度為5 m，封孔段長度為5 m。

(a) 正三花

(b) 倒三花

(3) 幫部爆破。針對巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行爆破卸壓，兩幫爆破孔垂直于巷幫單排布置，如圖10所示。采用φ60 mm被筒炸藥，每卷炸藥長度為350 mm、質(zhì)量為1.1 kg，線裝藥密度為3.2 kg/m。幫部爆破孔參數(shù)：孔深為15 m，方位角分別為90，270°，傾角為5°，孔徑為75 mm，裝藥量為16 kg，裝藥段長度為5 m，封孔段長度為10 m，孔間距為5 m。

4.2 效果檢驗(yàn)

(1) 震波CT探測。對爆破卸壓前后401103回撤通道東西兩側(cè)200 m范圍開展震波CT探測，沖擊危險(xiǎn)區(qū)域分布如圖11所示(波速異常指數(shù)反映煤巖體應(yīng)力集中程度，波速異常指數(shù)越大，煤巖體應(yīng)力集中程度越大)。可看出爆破卸壓前，波速異常指數(shù)為[0.5，0.75)的區(qū)域分布較為集中，約為探測區(qū)域的1/3；爆破卸壓后，波速異常指數(shù)為[0.5，0.75)的區(qū)域呈零散分布，約為探測區(qū)域的1/6，高應(yīng)力區(qū)面積減少了50%，探測區(qū)域應(yīng)力集中程度明顯降低，卸壓效果顯著。

圖10 幫部爆破孔布置Fig.10 Layout of blasting holes in two sides

(a) 卸壓前

(b) 卸壓后

(2) 微震監(jiān)測。爆破卸壓前后401103回撤通道掘進(jìn)期間微震事件平均能量變化如圖12所示。可看出爆破卸壓前存在高能微震事件，微震活動(dòng)表現(xiàn)為“高能量、低頻次”；采取爆破卸壓措施后，無高能微震事件發(fā)生，掘進(jìn)期間圍巖積聚能量有序釋放，微震活動(dòng)表現(xiàn)為“高頻次、低能量”，微震事件平均能量顯著下降，均小于104J，且微震事件能量無急劇變化，保障了工作面順利掘進(jìn)。

圖12 爆破卸壓前后微震事件平均能量變化Fig.12 Average energy variation of microseismic events before and after blasting pressure relief

5 結(jié)論

(1) 孟村煤礦401103回撤通道掘進(jìn)期間沖擊地壓發(fā)生主控因素包括煤巖層強(qiáng)沖擊傾向性、大埋深、斷層構(gòu)造：煤巖層具有強(qiáng)沖擊傾向性使得煤巖系統(tǒng)具備發(fā)生沖擊地壓的能力；工作面埋深大導(dǎo)致集中靜載荷水平處于高位，降低了沖擊地壓發(fā)生門檻；主承載區(qū)高集中靜載荷疊加斷層能量積聚釋放的集中動(dòng)載荷，極易誘發(fā)沖擊啟動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊地壓顯現(xiàn)。

(2) 對掘進(jìn)巷道圍巖支承壓力峰值區(qū)域?qū)嵤┍浦铝芽稍谙锏绹鷰r內(nèi)形成卸壓保護(hù)帶，降低了煤巖沖擊傾向性，削弱了高集中應(yīng)力，增加了沖擊能量消耗，從而達(dá)到降低沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)的目的。

(3) 針對401103回撤通道采取頂板、掘進(jìn)工作面、幫部爆破卸壓方案，并設(shè)計(jì)了合理的爆破孔參數(shù)。實(shí)施爆破卸壓方案后，高應(yīng)力區(qū)面積減少了50%，應(yīng)力集中程度明顯降低；微震事件平均能量顯著下降，均小于104J，且微震事件能量無急劇變化，卸壓效果良好。