東灘煤礦63 上06 工作面頂板深孔爆破斷頂卸壓技術(shù)應(yīng)用

張恒軍，王 磊，曾柯植

（兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦，山東 鄒城273500）

1 工作面概況

63 上06 綜采工作面位于東灘煤礦南翼六采區(qū)中部，北鄰63 上05 工作面（采空區(qū)），南鄰63 上07工作面（未開采）。工作面的兩順槽相互平行，北側(cè)的順槽作為軌順，軌順巷中與63 上05 運(yùn)順巷中間距9.5m 布置，南側(cè)的順槽作為運(yùn)順，運(yùn)順與軌順巷中間距265.0m 布置；切眼運(yùn)順端頭位于風(fēng)氧化帶邊緣，軌順側(cè)較運(yùn)順側(cè)向西調(diào)斜30m；設(shè)計(jì)停采線暫定軌順側(cè)與63 上05 工作面停采線平齊（位于運(yùn)順聯(lián)巷中交點(diǎn)以西20m），運(yùn)順側(cè)較軌順側(cè)向東調(diào)斜20m。軌順長(zhǎng)1 456.0 m，運(yùn)順長(zhǎng)1 489.0 m，工作面總面積338 916.0m2。工作面標(biāo)高：-605.0～-668.4 m/-636.7m；地面標(biāo)高：+48.63～+51.51/+50.07m；埋深：653.63～719.91m。

圖1 63 上06 工作面平面位置示意圖

2 地質(zhì)概況

工作面回采山西組3 上煤層。3 上煤，黑色，玻璃光澤，階梯狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu), 內(nèi)生裂隙發(fā)育；煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，底板之上1.80～2.30m 處發(fā)育一層厚0.02～0.03m 的泥質(zhì)粉砂巖夾矸，沉積穩(wěn)定，為重要回采標(biāo)志層。

3 上煤層厚度0.50～5.40m，平均5.20m，工作面西南部3 上煤被不同程度風(fēng)化剝蝕，剝蝕區(qū)3 上煤層厚度0.50～5.10m，平均3.4m，對(duì)回采影響較?。幻簩觾A角西部較大，切眼處最大傾角達(dá)14°，東部較為平緩，整體平均傾角約4°。63 上06 工作面直接頂為泥巖粉砂巖，厚0～5.73m，平均2.58m，基本頂為中砂巖，厚5.49～40.30m，平均27.89m。

表1 煤層頂?shù)装鍫顩r表

3 63 上06 工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果

東灘煤礦前期已委托遼寧工程技術(shù)大學(xué)對(duì)63上06 工作面采掘期間沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論：

1）63 上06 工作面沖擊地壓影響因素。63 上06工作面沖擊地壓危險(xiǎn)的主要地質(zhì)因素包括：①煤層埋深；②煤巖物理性質(zhì)；③地質(zhì)構(gòu)造及煤層賦存條件變化；④上覆巖層結(jié)構(gòu)特征。主要開采因素包括：相鄰采空區(qū)；煤柱。

2）根據(jù)綜合指數(shù)法，63 上06 工作面采掘期間的沖擊地壓危險(xiǎn)性指數(shù)均為Wt = 0.5，沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)為弱沖擊危險(xiǎn)性；工作面回采期間沖擊危險(xiǎn)綜合指數(shù)為0.62，為中等沖擊危險(xiǎn)，同時(shí)工作面的最大采深已經(jīng)超過發(fā)生沖擊地壓的臨界采深，具備了能夠發(fā)生沖擊地壓的應(yīng)力條件。

4 63 上06 工作面順槽頂板爆破的必要性

從工作面位置關(guān)系上，63 上06 工作面北鄰63上05 工作面采空區(qū)，南鄰63 上07 工作面（未布置），屬于單側(cè)臨空。工作面設(shè)計(jì)軌順巷中與63 上05 運(yùn)順巷中間距9.5m 布置，在開采的過程中煤柱會(huì)有較大的應(yīng)力集中。同時(shí)，從63 上06 工作面煤層及頂?shù)装迩闆r可以看出，工作面老頂為厚5.49～40.30 m，平均27.89 m 的堅(jiān)硬中砂巖，且3 上煤層頂板的沖擊傾向性均為弱沖擊傾向性，隨著工作面的開采老頂會(huì)逐漸彎曲、破斷，破斷過程中極大可能產(chǎn)生大能量事件（E＞105 J）。工作面內(nèi)存在褶皺、斷層的影響，這些因素增加了局部應(yīng)力集中，大大增加了發(fā)生沖擊地壓的可能性。因此，為了保證工作面的安全開采，降低礦震大能量事件的概率，東灘煤礦進(jìn)行63 上06 工作面的爆破斷頂技術(shù)研究是非常必要的。

5 頂板深孔爆破的目的

根據(jù)63 上06 工作面綜合柱狀圖，結(jié)合鉆孔資料分析，3 上煤上方的基本頂中砂巖平均厚27.89m，由于工作面邊緣處基本頂形成懸梁，未充分垮落，因此，決定對(duì)63 上06 工作面軌順進(jìn)行頂板深孔卸壓爆破，從而降低沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)，并減小區(qū)段煤柱的應(yīng)力集中。同時(shí)為后期63 上06 工作面回采后，避免采空區(qū)和63 上07 邊緣基本頂形成懸梁，使頂板充分垮落，提前在63 上06 運(yùn)順進(jìn)行頂板深孔卸壓爆破。

6 研究?jī)?nèi)容

1）深孔斷頂爆破技術(shù)參數(shù)。基于煤巖層綜合柱狀圖，利用礦山壓力、巖石力學(xué)、爆炸力學(xué)以及損傷力學(xué)等理論，計(jì)算63 上06 工作面深孔斷頂爆破的合理技術(shù)參數(shù)。

2）深孔斷頂爆破的工業(yè)性試驗(yàn)。針對(duì)63 上06工作面特殊的煤巖層條件、工作面位置特點(diǎn)，研究頂板深孔爆破的工藝，制定現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施方案，并在選定區(qū)域開展工業(yè)性試驗(yàn)。

3）深孔斷頂爆破的效果考察。通過現(xiàn)場(chǎng)鉆屑量、鉆孔應(yīng)力在線、鉆孔窺視以及微震數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，分析頂板深孔爆破前后的各參量變化（側(cè)重考查大能量礦震事件），從而判斷上覆頂板巖層的破斷狀態(tài)，并對(duì)爆破效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，必要時(shí)對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

4）深孔斷頂爆破的現(xiàn)場(chǎng)大范圍實(shí)施以及技術(shù)總結(jié)?；趦?yōu)化后的爆破參數(shù)，在63 上06 工作面順槽區(qū)域開展斷頂爆破，降低大能量礦震事件的概率，保證東灘煤礦63 上06 工作面的安全生產(chǎn)。

7 頂板深孔爆破參數(shù)

1）炮眼深度。63 上06 工作面軌道順槽內(nèi)直接頂厚度為0～5.73 m， 加上老頂厚度后達(dá)到5.49～46.03 m，平均厚度為30.47 m，因此，為了達(dá)到降低礦震/沖擊地壓的危險(xiǎn)性目的，設(shè)計(jì)軌道順槽爆破高度為30 m，傾角為75°。

2）炮眼間距。為了確保爆破后巷道的支護(hù)效果，盡可能達(dá)到降低頂板垮落步距的目的。同時(shí)，針對(duì)63 上06 工作面軌道順槽頂板進(jìn)行深孔爆破的目的是對(duì)臨近63 上05 采空側(cè)上覆堅(jiān)硬頂板進(jìn)行預(yù)裂，從而促進(jìn)采空側(cè)頂板的垮落，另外，考慮到爆破后巷道的支護(hù)效果，實(shí)際爆破效果應(yīng)避免造成爆破裂縫的貫通，可將炮眼間距按照貫通裂隙所需間距（3.2 mm）的3～4 倍進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，設(shè)計(jì)爆破孔間距設(shè)置為10 m。

3）參數(shù)確定。63 上06 工作面順槽內(nèi)直接頂厚度 為 0～5.73m，加上基本頂厚度后達(dá)到5.49～46.03m，平均厚度為30.47m，因此，設(shè)計(jì)順槽爆破高度為30m（垂高）。軌順鉆孔布置在不采幫距肩窩1.0～2.0m 位置頂板處，眼孔順巷道方向朝向63 上06 工作面采空區(qū)75°角度開孔；運(yùn)順鉆孔布置在不采幫距肩窩0.5～1.0m 位置頂板處，眼孔朝向63 上06 工作面（采側(cè)）75°角度開孔。采用單排鉆孔，鉆孔間距10m，孔深31m。

注：鉆孔深度根據(jù)基本頂中砂巖確定，傾向深度為31m，鉆孔見煤時(shí)停止鉆進(jìn)。

圖2 爆破孔布置示意圖

表2 頂板深孔爆破卸壓參數(shù)表

8 效果檢驗(yàn)

63 上06 工作面卸壓爆破之后，及時(shí)對(duì)卸壓效果作出檢驗(yàn)和評(píng)估。綜合檢驗(yàn)的方法包括以下3 種：

8.1 應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過應(yīng)力計(jì)應(yīng)力的變化情況進(jìn)行卸壓效果檢驗(yàn)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)讀取壓力數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂剖?。也可以采用?shù)據(jù)處理軟件處理各應(yīng)力計(jì)的數(shù)據(jù)，作為評(píng)價(jià)應(yīng)力集中程度的依據(jù)。

通過卸壓爆破前后鉆孔應(yīng)力值的變化，爆破后鉆孔應(yīng)力值明顯降低，說明卸壓爆破取得了明顯的效果。

8.2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢驗(yàn)

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種井下區(qū)域監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)方法，主要是根據(jù)震動(dòng)釋放的能量，震動(dòng)中心的位置，震動(dòng)波形圖等確定和分析礦山震動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)，從而對(duì)可能發(fā)生的沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，記錄礦震的地震圖，確定已發(fā)生的震動(dòng)參數(shù)。

頂板爆破區(qū)域大能量事件明顯減少，主要以小能量震源為主，說明卸壓爆破取得了明顯的效果。

8.3 頂板鉆孔窺視儀檢驗(yàn)

頂板鉆孔窺視儀是用于檢測(cè)巷道頂板離層及工作面頂板巖層爆破后不同位置裂隙的發(fā)育程度的監(jiān)測(cè)方法，可以通過顯示器顯示出來。

圖3 爆破鉆孔相鄰孔中的裂隙分布

1）本次采用窺鏡觀測(cè)對(duì)爆破效果進(jìn)行驗(yàn)證，通過爆破后對(duì)觀測(cè)鉆孔進(jìn)行對(duì)比分析，可清晰看出爆破后觀測(cè)鉆孔出現(xiàn)裂隙，說明距爆破孔5m 范圍內(nèi)巖層爆破后能夠出現(xiàn)巖層破裂，采用10m 間距布置爆破鉆孔滿足斷頂要求。

2）通過對(duì)驗(yàn)證孔爆破后的觀測(cè)看出，爆破后孔內(nèi)巖壁裂隙范圍明顯擴(kuò)大，在鉆孔表面有許多裂縫，裂隙傾向于軸向/豎直發(fā)育，能夠?qū)敯暹M(jìn)行有效切割。

3）爆破前，孔內(nèi)裂隙存在于7～10m 和19～23m 2 個(gè)區(qū)段，爆破后，裂隙擴(kuò)展為6.82～7.15m，15.36～21.98m，在28.77m 處增加了一段裂隙，基本頂內(nèi)部的一些原生裂隙擴(kuò)大，且局部裂隙貫通，較好的起到斷裂頂板作用。

經(jīng)采用窺鏡進(jìn)行觀測(cè)，63 上06 軌順采用深孔預(yù)裂爆破能夠起到切割頂板，為相鄰采空區(qū)懸臂梁及時(shí)垮落創(chuàng)造條件，起到降低本工作面?zhèn)认蛑螇毫ψ饔?。但具體效果需要從下一步工作面進(jìn)入爆破區(qū)域后，圍巖體變形縮量、沿空側(cè)支架載荷、側(cè)向支撐壓力等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

9 結(jié) 論

1）63 上06 工作面超前對(duì)兩順槽沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了頂板深孔爆破卸壓施工，防沖治理工作的提前開展保證了生產(chǎn)的連續(xù)，生產(chǎn)過程中，防沖工作未影響工作面正常推進(jìn)，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2）實(shí)現(xiàn)了工作面安全回采，消除了防沖薄弱環(huán)節(jié)，避免了工作面應(yīng)力集中情況下生產(chǎn)，保證了現(xiàn)場(chǎng)施工人員安全。