淺析煤層卸壓爆破在沖擊地壓厚煤層掘進巷道施工的作用

石高遠

（龍煤股份公司鶴崗分公司峻德煤礦掘進一區(qū)，黑龍江 鶴崗 154111）

隨著峻德煤礦開采深度不斷增加，在三水平北3層、9層、17層煤層都先后有沖擊地壓現(xiàn)象的發(fā)生，嚴重威脅我礦安全生產(chǎn)。沖擊地壓的動力現(xiàn)象不只在采煤工作面發(fā)生，還在煤巷掘進時顯現(xiàn)。峻德煤礦掘進一區(qū)9103隊施工三水平北17層三、四區(qū)一段回風巷，當時由于對沖擊地壓認識不夠，沒有采取預防措施，于2010年11月17日、2011年1月11日在回風巷變平點35米-90米范圍內(nèi)發(fā)生二次較大的礦壓沖擊，之后為防止三水平北17層三、四區(qū)一段回風巷掘進期間發(fā)生沖擊地壓，向前施工采取了煤層爆破卸壓，以消除或減緩沖擊危險，有控制地釋放煤層內(nèi)部集中應(yīng)力，收到較好的效果。

1 工作面概況

本區(qū)位于三水平北17層三、四區(qū)一段；煤層賦存穩(wěn)定以塊狀亮煤為主，含少量暗煤，走向185°～195°，傾角 27°～32°。煤層厚 8.21m-12.94m，煤層直接頂為4.0～7.0m的灰色細砂巖，以石英長石為主，含少量黑色礦物，老頂為30～40m的淺灰、灰白色中、細砂巖，以石英、長石為主，底板為4.0～7.0m的凝灰質(zhì)粉砂巖，與上覆11層間距140～170m，與下伏21層間距60～70m。北部回風巷設(shè)計長度為985米，與上段（二水平北17層三四區(qū)三段機道）煤柱傾斜最小距7—8米，最大25米，北部回風巷施工245米至265米時過二水平北17層三、四區(qū)分區(qū)煤柱，兩側(cè)均為上段停采放頂線，屬高應(yīng)力集中區(qū)域，為沖擊地壓重點防預區(qū)域和危險區(qū)域。

2 采用煤層卸壓爆破方式及參數(shù)

2.1 三水平北17層一段北部回風巷施工采用邊卸壓邊掘進

煤層卸壓爆破孔布置：在場子頭距巷道底板0.8米、距下幫1米、3米，間距2米、按施工中心方向坡度0度向前施工2個煤層卸壓爆破孔，長度不小8米，距巷道底板0.3米、距下幫1米、2.5米，間距1.5米、按-25度向下施工2個，長度6米；下幫：距巷道底板0.5米，每間隔5米沿煤層傾角向施工1個卸壓爆破孔，長度6米；場子頭每次卸壓距離8米，場子允許向前施工4米，場子必須在卸壓范圍內(nèi)施工。

2.2 當防沖大隊采用KBD5便攜式電磁輻射儀、鉆屑法監(jiān)測到場子頭有沖擊危險時，對該區(qū)域上幫、底板及下幫采取煤層卸壓爆破方法進行處理。

迎頭：距巷道底板0.3米、距下幫1米、間距0.9米、按-25度向下施工4個卸壓爆破孔，長度6米。

距巷道底板0.8米、距下幫1米、間距0.9米、按施工中心方向坡度0度向前施工4個卸壓爆破孔，長度不小8米。

上幫：距巷道底板0.5米，每間隔5米按-10度施工1個卸壓爆破孔，長度8米。

下幫：距巷道底板0.5米，每間隔5米沿煤層傾角向下幫施工1個卸壓爆破孔，長度6米。

2.3 煤層卸壓爆破孔用10米煤套釬子打，套釬子每套10根，每根1米。釬子頭直徑42mm，卸壓孔直徑42mm。

2.4 卸壓爆破孔每孔裝藥量為3kg（長度6米的為2kg），每5管火藥用一個引藥、正向裝藥、孔內(nèi)并聯(lián)。

2.5 裝藥時用六棱釬子桿作炮棍，但前端接一根0.7米長的6分膠管用以絕緣。

2.6 封孔使用3個水炮泥，水炮泥以外用粘土或黃土炮泥封實不得小于1.0米。

2.7 放炮前，工作面所有人員必須全部撤出，并設(shè)專人警戒，警戒距離距放炮地點半徑不小于150米，躲炮時間不少于40分鐘。

3 煤層卸壓爆破的形式

煤層卸壓爆破是在已確認具有沖擊危險的區(qū)域或有沖擊地壓傾向的煤層，通過對煤體實施爆破，以達到解除沖擊危險的一種沖擊地壓防治措施和手段。

煤層卸壓爆破按施工作用可分為煤層松動爆破、煤層卸壓爆破和煤層誘發(fā)爆破三種形式。

3.1 煤層松動爆破是指在煤層尚未形成高應(yīng)力集中或不具有沖擊危險但預測掘進過程可能有沖擊危險的煤層實施爆破，以改變煤體的物體力學性質(zhì)，從而使得煤層沖擊危險性降低，避免煤體中彈性能的過于積聚，以防止沖擊地壓的發(fā)生。

3.2 煤層卸壓爆破是對已形成沖擊危險的區(qū)域煤層進行爆破，使煤體中的應(yīng)力集中程度下降，煤體中支承壓力峰值位置向煤體深部轉(zhuǎn)移，從而降低沖擊危險性。

3.3 煤層誘發(fā)爆破是對具有較高沖擊危險性的煤層實施爆破，通過爆破形成的應(yīng)力波與高應(yīng)力煤體的應(yīng)力迭加，進一步增加煤體中的應(yīng)力集中程度并誘發(fā)沖擊地壓，即通過選擇合理的爆破參數(shù)、爆破時間和地點，在爆破動應(yīng)力的作用下，誘發(fā)強度可控、較小的沖擊地壓的發(fā)生，從而避免，災(zāi)害性、較大的沖擊地壓的發(fā)生。

4 煤層卸壓爆破作用機理

4.1 動力作用及效果

4.1.1 爆破的動態(tài)過程。爆破是一個極其復雜的動態(tài)過程。由鉆孔爆破學可知，鉆孔中的藥卷起爆后，爆轟波就以一定的速度向各個方向傳播，爆轟后的瞬間，爆炸氣體就已經(jīng)充滿整個鉆孔，爆炸氣體的超壓開始同時作用在孔壁上，壓力將達幾千到上萬Mpa。由于爆破過程是在瞬間完成的，爆炸氣體的壓力是以沖擊荷載的形式作用在孔壁周圍的，因此，在煤巖體內(nèi)必將產(chǎn)生沖擊波。隨著波陣面離開藥包距離的增加，其能量擴散到越來越大的區(qū)域中，直到某一區(qū)域（約2～5r0、r0為藥卷半徑）沖擊波衰減為應(yīng)力波。隨著傳播距離的增加，應(yīng)力波的能量降低，最后衰減為爆炸地震波。

4.1.2 裂隙形成原理。炸藥在煤層鉆孔中爆炸后，爆源附近的煤體因受高溫高壓的作用而壓實，強大的壓力作用，使爆破孔周圍形成壓應(yīng)力場。壓應(yīng)力作用的結(jié)果必然引起壓縮變形（壓應(yīng)變），使壓應(yīng)力場內(nèi)煤巖體產(chǎn)生徑向位移；在切向方向上將受到拉應(yīng)力作用，產(chǎn)生拉伸變形（拉應(yīng)變）。由于煤巖體的抗拉伸能力遠低于抗壓能力，故當拉應(yīng)變超過破壞應(yīng)變值時，就會在徑向上產(chǎn)生裂隙。

以上徑向裂隙、切向裂隙、剪切裂隙相互交叉、貫通并在爆炸氣體的膨脹壓力作用，向爆炸孔周圍擴展，形成一定的裂隙區(qū)域。

4.1.3 動態(tài)擾動作用。從以上分析可以看出，炸藥爆炸后，爆破孔周圍一定區(qū)域內(nèi)必將產(chǎn)生沖擊波和彈性應(yīng)力波。在裂隙區(qū)域以內(nèi)，由于沖擊波和應(yīng)力波的結(jié)果使煤巖體產(chǎn)生大量各種裂隙，使煤巖體結(jié)構(gòu)受到破壞。因此，在此區(qū)域內(nèi)可以忽略動態(tài)擾動作用。對距離爆破孔較遠的區(qū)域，即裂縫區(qū)以外區(qū)域，盡管煤巖體結(jié)構(gòu)沒有受到破壞，但由于爆炸引起的應(yīng)力波的傳播，使這部分的煤巖體獲得一定的動能，產(chǎn)生一定的動應(yīng)力。如果該部分的煤巖體在爆破前已處于嚴重的沖擊危險狀態(tài)下，那么爆破的結(jié)果就有可能引起沖擊地壓的產(chǎn)生，通常稱之為誘發(fā)爆破，實質(zhì)上這也是卸壓爆破的一種形式或效果。由此可以看出，爆破的動態(tài)擾動作用是煤層卸壓爆破防治沖擊地壓的作用之一。

4.2 靜態(tài)后果

爆破的動態(tài)過程是極其短暫的，當爆破的動態(tài)過程結(jié)束后，爆破孔周圍煤巖體將形成三個區(qū)域：破碎區(qū)（壓碎區(qū)）、裂隙區(qū)（破裂區(qū)）以及非破壞擾動區(qū)（彈性區(qū)），它們依次遠離爆腔。煤層卸壓爆破后，由于上述各區(qū)的出現(xiàn)，必將使煤巖體的承載能力降低，煤巖體的應(yīng)力重新分布，煤巖體中能量積聚與轉(zhuǎn)移規(guī)律發(fā)生改變，形成一定的卸壓區(qū)域，減弱或消除煤體的沖擊危險性。

煤層卸壓爆破的結(jié)果就是改變煤體的靜載大小，使之在一定范圍內(nèi)降低到較低水平，不足以引起沖擊地壓。

5 煤層卸壓爆破的優(yōu)、缺點

優(yōu)點：對各種生產(chǎn)地質(zhì)因素均有良好的適應(yīng)性，施工機具簡單，操作方便、實施時間和地點靈活機動，對地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件的要求不高，適合沖擊傾向煤層的廣泛應(yīng)用。

缺點：是卸壓延續(xù)時間較短，很短時間裂隙沉實，應(yīng)力還原，卸壓有效期短，在高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)加強日常監(jiān)測和及時采用其它的卸壓方法（頂板預裂爆破、大孔徑煤層卸壓孔、煤層注水等）配合。

[1]黃仲文，張德銀.高瓦斯突出煤層掘進工作面安全施工的幾點做法 [J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2001.12.10.