烏東煤礦近直立煤層不同卸壓方案效果對(duì)比研究

常 博，王 建，李 康，閆瑞兵

(神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830084)

煤礦沖擊地壓災(zāi)害是井下采掘空間周圍煤巖體急劇破壞，并突然釋放大量能量的一種強(qiáng)烈動(dòng)力現(xiàn)象，可嚴(yán)重?fù)p毀井巷及設(shè)備，造成人員傷亡，是我國煤礦最為嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害之一[1]。此外，沖擊地壓還可能誘發(fā)瓦斯異常涌出、瓦斯爆炸等重特大災(zāi)害。沖擊地壓現(xiàn)象的本質(zhì)是高應(yīng)力狀態(tài)作用下煤巖體的突然失穩(wěn)破壞[2]。因此，采取有效措施避免應(yīng)力集中是沖擊地壓防治的關(guān)鍵。卸壓爆破是較為常見的降低煤層應(yīng)力的方法。卸壓爆破是通過震動(dòng)破壞對(duì)煤巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，重新形成以爆炸點(diǎn)為中心順次向外的破碎區(qū)、裂隙區(qū)、彈性區(qū)，導(dǎo)致圍巖深部應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生大范圍應(yīng)力降低區(qū)，促使應(yīng)力較為集中的彈性區(qū)轉(zhuǎn)移到圍巖深處，從而使圍巖應(yīng)力場得到改善[3]。

王猛等[4]對(duì)鉆孔卸壓機(jī)理進(jìn)行了研究，并提出了卸壓效果的評(píng)價(jià)方法。張恒等[5]利用數(shù)值模擬方法對(duì)深部巷道爆破卸壓進(jìn)行了研究，通過計(jì)算對(duì)比得出了合理炮孔深度。劉少虹等[6]對(duì)卸壓爆破下強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)巷道圍巖震動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并提出在進(jìn)行卸壓爆破設(shè)計(jì)時(shí)，通過控制卸壓爆破震動(dòng)的幅值、頻率和持續(xù)時(shí)間3個(gè)指標(biāo)，找到卸壓效果與圍巖損傷的平衡點(diǎn)。高永格等[7]研究了鉆孔孔徑及布置方式對(duì)煤巷卸壓效果的影響，發(fā)現(xiàn)在相同地質(zhì)條件下適當(dāng)增大鉆孔直徑可以提高卸壓效果。孫東飛等[8]研究發(fā)現(xiàn)，大直徑鉆孔卸壓，鉆孔越深卸壓效果越明顯。此外，鉆孔布置也對(duì)卸壓效果影響較大。對(duì)于急傾斜煤層沖擊地壓防治，也有學(xué)者進(jìn)行了研究并取得了一些成果[9-15]。由于其發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性，目前的研究仍有待進(jìn)一步深入。烏東煤礦煤層傾角達(dá)到87°，是較為典型的急傾斜煤層。采用傳統(tǒng)的卸壓方法雖然也能達(dá)到一定的卸壓目的，但卸壓效果難以達(dá)到預(yù)期。為此，本文從卸壓方式著手，對(duì)三種不同卸壓方案的卸壓效果和經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行對(duì)比，以期找到適合近直立煤層較為理想的卸壓方法，研究結(jié)果對(duì)急傾斜煤層沖擊地壓的有效防治具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

烏東煤礦南區(qū)煤層賦存條件為近直立特厚煤層，其沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理存在一定獨(dú)特性。隨著采深增加，兩組煤層間巖層形成高聳巖柱，巖柱在受到水平構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力影響下，下側(cè)與回采煤層相交部位產(chǎn)生傾斜撬動(dòng)效應(yīng)，在采動(dòng)擾動(dòng)下，巖體聚集彈性能通過煤體釋放，發(fā)生不同程度的沖擊地壓現(xiàn)象。烏東煤礦現(xiàn)回采+450m水平B3+6煤層，采深約350m，走向長度為2520m，終采線位置為272m，B3+6工作面超前B1+2工作面開采。B3+6工作面北部為頂板，南部為中間巖柱及B1+2工作面，下部為下分段水平，上部為上分段采空區(qū)，工作面開采布置如圖1所示。工作面采用水平分段綜采放頂煤采煤方法，分段高度為25m，其中割煤厚度為3m，放煤高度為22m，采放比為1∶7.2。工作面回采后地表用黃土進(jìn)行填充?；夭芍?025m、1852m、1565m位置時(shí)先后發(fā)生3次礦壓顯現(xiàn)。

2 區(qū)段治理工程

烏東煤礦+450水平B3+6綜放面于6月16日恢復(fù)生產(chǎn)，工作面走向位置1542m，截止8月3日，走向位置1375m，累計(jì)回采167m。深層爆破孔施工情況為：B3巷施工至1310m，裝藥至1430m，爆破至1450m；B6巷頂板施工至1260m，裝藥至1450m，爆破至1470m，深層爆破孔排距為10m/排。淺層爆破孔施工情況為：排距為40m/排，在淺層爆破孔在調(diào)整過程中，由于受超前支架與轉(zhuǎn)載機(jī)影響，現(xiàn)場無鉆機(jī)施工空間，B3巷淺層爆破孔從1515m開始補(bǔ)孔，B6巷淺層爆破孔自1475m開始補(bǔ)孔。為此，+450水平B3+6綜放面經(jīng)歷3個(gè)不同區(qū)段治理工程。

2.1 “深孔為主、淺孔為輔”布置方式

淺層爆破孔排距均為40m/排，深層巖體爆破孔排距為10m/排，施工區(qū)域1485～1542m?！吧羁诪橹?、淺孔為輔”爆破孔布置施工區(qū)域如圖2所示。淺層巖體爆破孔布置如圖3所示，其參數(shù)見表1。深層爆破孔布置如圖4所示，其參數(shù)見表2。

圖2 “深孔為主、淺孔為輔”爆破孔布置施工區(qū)域

圖3 淺層巖體爆破孔布置方式

2.2 深淺孔交替布置方式

深層巖體爆破孔和淺層爆破孔排距均為10m/排，鉆孔施工參數(shù)見表1、表2，施工區(qū)域1430～1485m，深淺巖體爆破孔交替布置施工區(qū)域如圖5所示。

表1 淺層巖體爆破孔施工參數(shù)

圖4 深層巖體爆破孔布置方式(m)

表2 深層巖體爆破孔施工參數(shù)

圖5 深淺巖體爆破孔交替布置施工區(qū)域

2.3 “淺孔為主、深孔為輔”布置方式

深層巖體爆破孔排距為30m/排，淺層巖體爆破孔排距為10m/排，爆破孔超前綜放面30～90m爆破，“淺孔為主、深孔為輔”爆破孔布置施工區(qū)域如圖6所示。

圖6 “淺孔為主、深孔為輔”爆破孔布置施工區(qū)域

3 效果分析

不同區(qū)段的治理的措施卸壓效果主要通過微震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。考慮到低能微震事件對(duì)整體分析研究的干擾，本次微震數(shù)據(jù)選擇102J及以上能級(jí)數(shù)據(jù)，時(shí)間為2017年6月1日至8月2日。其中：6月1日—6月16日，工作面停止生產(chǎn)；6月16日—6月26日，工作面采用“深孔為主、淺孔為輔”治理措施；6月26日—7月25日，工作面采用深淺孔交替治理措施；7月25日—8月2日，工作面采用“淺孔為主、深孔為輔”治理措施。

3.1 微震事件統(tǒng)計(jì)分析

從沖擊地壓2個(gè)主要致災(zāi)因素(地質(zhì)因素、開采因素)來看，由于3個(gè)區(qū)段工程處于同一水平，且實(shí)施區(qū)域相鄰，基本處于連續(xù)狀態(tài)，地質(zhì)因素可似為相同；綜放面推進(jìn)度基本保持4m/日(5刀/日)推進(jìn)度，回采率波動(dòng)相對(duì)較小，開采強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。因此，通過日均能量和日頻次和每米平均能量和頻次進(jìn)行對(duì)比分析，具體為：

1)微震監(jiān)測日能量和日頻次進(jìn)行對(duì)比分析如圖7所示。由圖7可以發(fā)現(xiàn)：后2階段治理工程與前1階段工程相比，微震監(jiān)測能量和頻次都有所下降，日監(jiān)測能量分別下降了47.2%和7.2%，日頻次下降39.4%和24.3%。

圖7 不同區(qū)段工程日均微震能量和頻次和對(duì)比

圖8 不同區(qū)段工程每米微震能量和頻次和對(duì)比

2)每米平均能量和頻次對(duì)比分析如圖8所示。結(jié)果表明，后2階段治理工程與前1階段工程相比，微震監(jiān)測能量和頻次都有所下降，每米監(jiān)測能量分別下降了58.5%和33.8%，頻次下降49.5%和55%。

3.2 微震事件—時(shí)間變化規(guī)律分析

不同區(qū)段治理工程微震頻次和能量曲線如圖9所示，從不同區(qū)段內(nèi)微震事件的時(shí)間規(guī)律進(jìn)行分析可知，不同階段治理措施實(shí)施后，工作面附近微震事件頻次和能量呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)，特別是在新老治理措施過渡階段降低最為明顯。2017年6月26日，淺層巖體爆破孔進(jìn)行加密，微震頻次和能量降低，且呈現(xiàn)平穩(wěn)但略微加快的趨勢(shì)，表明與以深層體孔為主相比，深淺孔交替布置和淺層巖體孔為主階段解壓工程對(duì)降低工作面應(yīng)力更有效，其中深淺孔交替布置階段降壓更加明顯。

圖9 不同區(qū)段治理工程微震頻次和能量曲線

3.3 微震事件—空間變化規(guī)律分析

為了解不同區(qū)段措施實(shí)施后應(yīng)力的時(shí)空分布特征，特對(duì)工作面附近區(qū)域微震事件的空間布局按照B3底板、B3+6煤層和B6頂板三個(gè)區(qū)域進(jìn)行劃分，通過對(duì)比分析3個(gè)區(qū)段內(nèi)微震事件的百分比變化來掌握工作面附近應(yīng)力分布的空間分布特征，具體見表3。通過分析可以看出，淺層巖體為主爆破孔實(shí)施后，工作面附近微震事件的空間分布比例基本上沒有太大的變化，事件基本集中分布在B3底板側(cè)和B3+6煤層中，表明與深層孔為主相比，未造成工作面應(yīng)力空間分布的重新排布。但整體來說，淺層巖體為主爆破孔實(shí)施后，B3底板側(cè)應(yīng)力呈現(xiàn)降低、B3+6煤層和B6頂板側(cè)應(yīng)力呈現(xiàn)增加的態(tài)勢(shì)。

4 經(jīng)濟(jì)效益

上述研究結(jié)果表明，深淺孔交替布置方式爆破卸壓效果最優(yōu)，“淺孔為主、深孔為輔”布置方式次之，“深孔為主、淺孔為輔”布置方式最差。通過對(duì)深淺孔交替、“淺孔為主、深孔為輔”、“深孔為主、淺孔為輔”三種卸壓工程的成本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出每米的爆破成本分別為1064元、28336元、7264元。卸壓效果越優(yōu)，成本越高。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)安全，不同卸壓工程應(yīng)根據(jù)區(qū)域危險(xiǎn)性有選擇的實(shí)施。在地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，危險(xiǎn)性高的區(qū)域采用深淺孔交替布置方式爆破卸壓，相對(duì)安全區(qū)域采用深孔為主淺孔為輔布置方式。以確保在安全生產(chǎn)的前提下，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

表3 不同區(qū)段微震頻次和能量按空間分布統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié) 論

1)通過日均能量、頻次和每米能量、頻次對(duì)3個(gè)不同區(qū)段治理工程進(jìn)行了分析，淺層巖體爆破孔加密后，均能量和頻次明顯下降，工作面附近區(qū)域應(yīng)力集中降低，卸壓效果提升。

2)從不同區(qū)段內(nèi)微震事件的時(shí)間規(guī)律進(jìn)行分析，與以深層體孔為主相比，深淺孔交替布置和淺層巖體孔為主階段卸壓工程對(duì)降低工作面應(yīng)力更有效，其中深淺孔交替布置區(qū)域降壓更加明顯。

3)從不同區(qū)段內(nèi)微震事件空間變化規(guī)律來看，不同區(qū)段治理措施在微震事件的空間分布未出現(xiàn)明顯變化，事件仍然集中分布在B3底板和B3+6煤層中，采用淺層巖體為主措施后B6頂板和B3+6煤層中微震事件的比重有增加態(tài)勢(shì)。

4)通過對(duì)3個(gè)不同區(qū)段的治理工程效果分析發(fā)現(xiàn)：深淺孔交替布置方式最好，其次為淺孔為主深孔為輔布置方式，最后為深孔為主淺孔為輔布置方式。以上三種布置方式每米的爆破成本分別為：1064元、28336元、7264元。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)安全，卸壓工程布置方式應(yīng)根據(jù)不同區(qū)段危險(xiǎn)程度有選擇性的實(shí)施。