大型構(gòu)造影響區(qū)厚煤層工作面開(kāi)采斷頂預(yù)裂爆破技術(shù)研究

文/劉學(xué)征 倪慶均 趙榮學(xué)

根據(jù)山東能源新礦集團(tuán)新巨龍公司8303工作面回采期間沖擊地壓主要影響因素分析結(jié)果，主要的集中靜載荷影響因素為煤層沖擊傾向性、開(kāi)采深度、構(gòu)造、采動(dòng)應(yīng)力、底煤厚度、大巷群等，在回采期間具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性。為保證位于斷層群和畢垓斷層等構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)的8303工作面安全開(kāi)采，通過(guò)對(duì)兩順槽及切眼頂板采取斷頂預(yù)裂爆破施工，切斷因覆巖高位巖梁關(guān)鍵層懸頂過(guò)大對(duì)采場(chǎng)控頂區(qū)的作用力，有效減弱了斷層群和畢垓斷層等構(gòu)造影響，同時(shí)有效地控制了采場(chǎng)周期來(lái)壓步距，弱化了鄰近大型斷層構(gòu)造區(qū)的應(yīng)力集中程度，有利于工作面安全開(kāi)采和控制沖擊地壓的發(fā)生，對(duì)沖擊地壓的防治具有顯著效果。

一、概況

1．工作面位置及煤層情況

8303綜放工作面位于二水平北區(qū)下山以南，東為尚未準(zhǔn)備的8304工作面，西為畢垓斷層保護(hù)煤柱，南為F21斷層，北為二水平北區(qū)下山保護(hù)煤柱。該工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)為573.8m，傾斜長(zhǎng)為260m，儲(chǔ)量為170.7萬(wàn)t，井下標(biāo)高為-946.5～-993.9m。煤層平均厚度為9.0m，可采指數(shù)為1，煤厚變異系數(shù)為4.3%，為穩(wěn)定煤層。煤層普氏硬度系數(shù)f=1.59，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2．地質(zhì)賦存條件

（1）斷層構(gòu)造。根據(jù)畢垓斷層?xùn)|至-980m水平大巷區(qū)域三維地震勘探資料顯示，8303工作面東靠F21斷層，西鄰畢垓斷層，南部為FD16、FD17和XF56斷層帶，北部發(fā)育FD21斷層；工作面開(kāi)采區(qū)域發(fā)育FD20斷層，上、下平巷實(shí)際揭露斷層4條，對(duì)工作面開(kāi)采影響大的斷層1條（FD20斷層），其余斷層對(duì)工作面開(kāi)采影響較小。

（2）褶曲。8303工作面位于畢垓背斜的東翼，黃堂向斜的北部，煤層整體呈西北高，東南低。

3．采煤方法

8303工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采工藝，走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板；工作面3煤層厚度平均為9.0m，采高為3.8m，放煤高度為5.2m。

二、斷頂預(yù)裂參數(shù)設(shè)計(jì)

8303工作面煤層上方5～21m之間賦存有一層15.95m的細(xì)砂巖，距離煤層較近，其懸頂和斷裂均會(huì)對(duì)工作面前方帶來(lái)顯著影響；該工作面預(yù)裂層位為頂板以上15.95m的細(xì)砂巖及以上3層2～4m的細(xì)砂巖頂板，確定爆破孔進(jìn)入頂板巖石垂深不小于30m。

1．切眼爆破參數(shù)

工作面切眼設(shè)計(jì)頂板預(yù)裂爆破鉆孔8個(gè)，每個(gè)孔深40m，孔徑73mm，裝藥長(zhǎng)度19m，單孔裝藥量64.6kg。

2．上下平巷爆破參數(shù)

（1）上平巷爆破孔按間距20m設(shè)計(jì)一組，孔徑89mm。每組設(shè)計(jì)5個(gè)鉆孔，其中扇形傾向鉆孔3個(gè)，孔深分別為30m、34m、42m，仰角對(duì)應(yīng)為80°、60°、45°；走向鉆孔2個(gè)，孔深分別為30m、34m，仰角對(duì)應(yīng)為80°、60°；鉆孔垂深30m，其中裝藥段垂深15m，封孔段垂深15m。走向鉆孔與傾向鉆孔間距為6m、7m。

（2）下平巷爆破孔按間距20m設(shè)計(jì)1組，孔徑89mm。每組設(shè)計(jì)3個(gè)扇形傾向鉆孔，孔深分別為30m、34m、42m，仰角對(duì)應(yīng)為80°、60°、45°。鉆孔垂深為30m，其中裝藥段垂深為15m，封孔段垂深為15m。

3．?dāng)鄬用嫠蓜?dòng)爆破

在8303上平巷導(dǎo)線點(diǎn)BL8兩側(cè)150m范圍內(nèi)的斷層與上平巷上幫（西幫）交點(diǎn)區(qū)域，對(duì)斷層面和上下盤兩側(cè)設(shè)計(jì)鉆孔18個(gè)，進(jìn)行松動(dòng)爆破。

（1）斷層面松動(dòng)爆破。設(shè)計(jì)鉆孔2組，每組布置鉆孔3個(gè)，仰角分別為30°、45°、60°，與小斷層面夾角為10°斜穿小斷層，孔深約為50m（穿畢垓斷層5m），孔徑為75mm；單孔裝藥量為50kg，封孔深度為1/2。

（2）斷層上、下盤松動(dòng)爆破。在斷層上、下盤兩側(cè)設(shè)計(jì)鉆孔6組，間距為25m，每組布置鉆孔2個(gè)，仰角分別為45°、60°，鉆孔垂直巷幫，孔深約為50m（穿畢垓斷層5m）；單孔裝藥量為50kg，封孔深度為1/2。頂板深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置如圖1所示。

圖1 頂板深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置平面示意圖

三、采場(chǎng)圍巖破裂特征

1．8303工作面微地震事件監(jiān)測(cè)分析

8303工作面共收集ARAMIS微地震事件3558個(gè)。其中，單日平均發(fā)生事件13.9個(gè)，平均釋放能量3.99×104J；單日事件最多發(fā)生72個(gè)，單日最大釋放能量16.5×104J。采場(chǎng)5000J以下的小能量微震事件占比大，達(dá)到85.95%。

2．鄰近工作面微地震事件對(duì)比

8303工作面采取斷頂爆破措施后，微地震事件發(fā)生3558個(gè)，同比未采取斷頂爆破措施的8301工作面增加2323個(gè)。斷頂后，8303工作面采場(chǎng)事件增加65.3%，其中1000J以下的小能量事件增加19%，采場(chǎng)能量釋放比較充分。但由于8303工作面開(kāi)采受畢垓斷層、背斜等地質(zhì)構(gòu)造影響，104J以上的大能量事件發(fā)生66個(gè)，占比較高。

四、采場(chǎng)應(yīng)力分布特征

8303綜放工作面KJ550沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共安設(shè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)站32組。其中，上、下平巷各安設(shè)16組，每組監(jiān)測(cè)站布置2個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，安設(shè)孔深分別為8m和13m，監(jiān)控采場(chǎng)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的煤體應(yīng)力集中狀態(tài)和變化規(guī)律。

自2020年7月11日試生產(chǎn)以來(lái)，受工作面回采二次采動(dòng)及采場(chǎng)釋放大能量事件影響，個(gè)別應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值出現(xiàn)明顯上升現(xiàn)象。根據(jù)近期超前應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析，上平巷超前應(yīng)力明顯顯現(xiàn)影響距離為27.6m；下平巷超前應(yīng)力明顯顯現(xiàn)影響距離為40.4m，主要位于超前支承壓力范圍內(nèi)，影響因素為超前支承壓力、斷層和背斜構(gòu)造、覆巖自重等疊加、耦合作用。

五、頂板來(lái)壓分析

1．直接頂初垮

（1）初垮步距。8303綜放工作面切眼寬度為10m，自2020年7月11日試生產(chǎn)，至7月26日三班，平均推采7.1m，其中上平巷推采7.6m，下平巷推采6.5m；采空區(qū)14～51#、80～140#頂煤大面積冒落，接近工作面傾斜長(zhǎng)度的2/3，判定為工作面頂煤初垮，初垮步距為17.1m，持續(xù)影響距離為2.4m。

（2）支架工況。工作面初垮前全部支架平均工作阻力為8880.23KN，最大平均支護(hù)阻力為11630.13KN，支護(hù)強(qiáng)度為0.83MPa；初垮期間全部支架平均工作阻力為9747.71KN，最大平均支護(hù)阻力為13668.44KN，支護(hù)強(qiáng)度為0.91MPa，動(dòng)載系數(shù)為1.10。

2．基本頂初次來(lái)壓

（1）來(lái)壓步距。8303工作面自2020年7月11日試生產(chǎn)，至8月8日三班，工作面平均推采30.1m。其中，上平巷推采25.2m，下平巷推采14.9m。由于調(diào)采不規(guī)則開(kāi)采影響頂板初次來(lái)壓不充分，導(dǎo)致工作面分段來(lái)壓，結(jié)合支架阻力明顯增大、片幫等綜合判定工作面中上部基本頂初次來(lái)壓，來(lái)壓步距為30.1m（包括切眼寬10m），至8月11日四班平均推采25.4m，工作面中上部初次來(lái)壓結(jié)束，平均持續(xù)影響距離為5.3m。

（2）支架工況。8303工作面上部來(lái)壓期間支架平均工作阻力為10113.1KN，比來(lái)壓前增加793.4KN，支護(hù)強(qiáng)度為0.95MPa，動(dòng)載系數(shù)為1.09；工作面平均工作阻力為9062.37KN，比來(lái)壓前增加798.6KN，支護(hù)強(qiáng)度為0.85MPa，動(dòng)載系數(shù)為1.10，來(lái)壓期間中上部煤壁片幫。

3．基本頂周期來(lái)壓

（1）來(lái)壓步距。截至10月24日四班，8303工作面經(jīng)歷6次基本頂周期來(lái)壓，平均周期來(lái)壓步距為17.1m，最大周期來(lái)壓步距為18m，平均持續(xù)影響距離為2.4m。

（2）支架工況。周期來(lái)壓前的支架平均工作阻力為10356.8KN，是支架額定工作阻力的69%；最大平均支架支護(hù)阻力為11565.9KN，是支架額定工作阻力的77.11%；支護(hù)強(qiáng)度為0.97MPa。

周期來(lái)壓期間的支架平均工作阻力為11624.8KN，是支架額定工作阻力的77.5%；最大平均支架支護(hù)阻力為12967.1KN，是支架額定工作阻力的86.45%；支護(hù)強(qiáng)度為1.08MPa，動(dòng)載系數(shù)為1.14，來(lái)壓顯現(xiàn)略明顯。

六、基本頂來(lái)壓與爆破效果分析

選取相鄰8301工作面和6304工作面的實(shí)測(cè)基本頂來(lái)壓參數(shù)，與8303工作面采取頂板預(yù)裂爆破措施后的效果進(jìn)行對(duì)比，分析確定爆破斷頂前后的基本頂來(lái)壓步距、采場(chǎng)釋放能量的變化規(guī)律。

1．相鄰工作面來(lái)壓步距對(duì)比

（1）基本頂初次來(lái)壓對(duì)比。根據(jù)礦井回采工作面的基本頂初次來(lái)壓統(tǒng)計(jì)，在未采取斷頂預(yù)裂措施的初次來(lái)壓步距一般都在50m以上，且來(lái)壓顯現(xiàn)不明顯。

通過(guò)鄰近8301工作面、6304工作面和8303工作面的基本頂初次來(lái)壓對(duì)比分析，未采取爆破措施的基本頂來(lái)壓步距平均在60.3m，8303工作面采取切眼斷頂和超前斷頂爆破措施后，初次來(lái)壓距離為30.1m，是非斷頂爆破工作面的0.5倍。8303工作面實(shí)施切眼斷頂爆破措施后，基本頂初次來(lái)壓步距明顯小于其他工作面的來(lái)壓步距，斷頂效果明顯。

（2）基本頂周期來(lái)壓對(duì)比。通過(guò)以上三個(gè)工作面的周期來(lái)壓參數(shù)對(duì)比分析，未采取爆破措施的基本頂周期來(lái)壓步距平均為18.1m，最大周期來(lái)壓步距為24.8m。而8303工作面采取切眼斷頂和兩巷超前斷頂爆破措施后，基本頂周期來(lái)壓步距平均為16.1m，最大周期來(lái)壓步距為18m，最大周期來(lái)壓步距是非斷頂爆破工作面的0.65倍；從目前來(lái)看，采取斷頂爆破措施后，工作面周期來(lái)壓步距均小于斷頂間距20m。

2．來(lái)壓期間支架工況對(duì)比

根據(jù)三個(gè)工作面的支架工作阻力分析看，8303工作面來(lái)壓前的支架平均工作阻力為9988.6KN，比其他兩個(gè)工作面平均工作阻力增加0.05倍；來(lái)壓期間的支架工作阻力為11115.1KN，比其他兩個(gè)工作面平均工作阻力增加0.06倍。

8303工作面斷頂爆破后的來(lái)壓前和來(lái)壓期間的支架平均工作阻力比其他工作面增量不大，從工作面支架工作阻力角度分析，斷頂爆破效果影響不大。

七、結(jié)論

1．微地震事件對(duì)比

8303工作面上下平巷和切眼采取斷頂爆破后，采場(chǎng)微地震事件同比增加1～2倍，單事件能量多發(fā)生在5000J以下，占比85.95%，采場(chǎng)小事件能量釋放更充分，有利于頂板安全管理。

2．基本頂初次來(lái)壓對(duì)比

通過(guò)鄰近工作面的基本頂初次來(lái)壓對(duì)比分析，8303工作面采取切眼斷頂和超前斷頂爆破措施后，初次來(lái)壓距離為30.1m，是未采取斷頂爆破前工作面的0.5倍左右，基本頂初次來(lái)壓步距明顯小于其他工作面的來(lái)壓步距，斷頂效果明顯。

3．周期來(lái)壓對(duì)比

通過(guò)鄰近工作面的周期來(lái)壓參數(shù)對(duì)比分析，8303工作面采取切眼斷頂和超前斷頂爆破措施后，基本頂周期來(lái)壓步距平均為16.1m，最大周期來(lái)壓步距為18m，最大周期來(lái)壓步距是非斷頂爆破工作面的0.65倍。從目前來(lái)看，采取斷頂爆破措施后，工作面周期來(lái)壓步距均小于斷頂間距20m。

4．來(lái)壓期間支架工況對(duì)比

8303工作面斷頂爆破后的來(lái)壓前和來(lái)壓期間的支架平均工作阻力比其他工作面增量不大，從工作面支架工作阻力角度分析，斷頂爆破效果影響不大。

綜上所述，對(duì)8303工作面切眼和兩巷實(shí)施斷頂爆破措施，有效減弱了斷層群和畢垓斷層等構(gòu)造的影響，采空區(qū)上覆巖層冒落比較及時(shí)，有效地降低了工作面初采初放期間的采空區(qū)懸頂面積和跨度，且爆破效果比較明顯，有利于工作面的安全生產(chǎn)。