近直立煤層深淺孔爆破卸壓技術(shù)與效果分析

劉旭東，劉傳義，劉 垚，張 燊

(1.國(guó)家能源集團(tuán) 新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830084；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)水平與產(chǎn)量不斷提高，我國(guó)中東部賦存條件簡(jiǎn)單的優(yōu)質(zhì)煤炭資源逐漸減少，煤炭資源開(kāi)發(fā)重心逐漸向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移[1-5]。烏東煤礦、堿溝煤礦、窯街三礦等很多西部礦井都面臨沖擊地壓的開(kāi)采技術(shù)難題，以烏東煤礦為例，受煤層走向和采礦方法的影響，烏東煤礦B1+2煤層和B3+6煤層工作面巷道軸線近似垂直于最大水平應(yīng)力方向，在采動(dòng)影響下，工作面煤體容易積聚大量的彈性能，滿足一定條件后觸發(fā)沖擊地壓。當(dāng)前礦井多采取爆破卸壓等方式來(lái)防治沖擊地壓[6-11]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在爆破卸壓方面已做了大量研究[12-17]。當(dāng)前頂?shù)装灞菩秹貉芯恐饕性诮胶途弮A斜煤層，對(duì)近直立煤層等特殊賦存條件下的煤層研究較少，且卸壓效果多通過(guò)數(shù)值模擬或數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等間接手段得出，本文針對(duì)烏東煤礦近直立煤層沖擊地壓防治提出了頂?shù)装迳顪\孔爆破卸壓技術(shù)，采用鉆孔成像對(duì)爆破前后的卸壓效果進(jìn)行直接對(duì)比分析，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)電磁輻射、微震數(shù)據(jù)分析對(duì)卸壓爆破效果進(jìn)行了驗(yàn)證，研究結(jié)果可對(duì)類(lèi)似近直立特厚煤層礦井沖擊地壓防治提供參考。

1 工程背景

烏東煤礦南采區(qū)位于八道灣向斜南翼，主采B1+2、B3+6煤層，B1+2煤層平均厚度為28m，B3+6煤層平均為40m。煤層傾角平均為87°，屬近直立煤層。兩層煤之間由巖柱分開(kāi)，巖柱自東向西逐漸變寬，厚度在50～110m之間。烏東煤礦南區(qū)最大主應(yīng)力方位角平均為158.6°，最大水平主應(yīng)力的走向總體上為北西—南東向，水平最大主應(yīng)力傾角平均為14.25°，最大主應(yīng)力約為自重應(yīng)力的1.74～1.90倍，呈現(xiàn)出明顯的水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用特征。烏東煤礦當(dāng)前正在開(kāi)采+425m水平B3+6工作面，B3+6工作面為+425m水平的首采面，開(kāi)采方式采用水平分段放頂煤，分段高度25m，采動(dòng)影響強(qiáng)烈，現(xiàn)場(chǎng)采取頂?shù)装宄靶秹罕频姆椒▉?lái)防治沖擊地壓。煤層賦存情況與工作面布置如圖1所示。

圖1 烏東煤礦煤層賦存與工作面布置

2 近直立煤層頂?shù)装迳顪\孔爆破

2.1 爆破卸壓原理

頂?shù)装迨怯绊憶_擊地壓發(fā)生的主要因素之一，其主要原因是堅(jiān)硬厚層頂?shù)装迦菀拙鄯e大量的彈性能。由于烏東煤礦南采區(qū)近直立煤層頂?shù)装寤顒?dòng)、垮斷情況不明，且煤巖體均具有弱沖擊傾向性，在堅(jiān)硬頂?shù)装迤茢嗷蚧七^(guò)程中，大量的彈性能易突然釋放，形成強(qiáng)烈震動(dòng)，誘發(fā)沖擊。烏東煤礦呈現(xiàn)明顯的水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用特征，開(kāi)采過(guò)程中易在工作面形成水平應(yīng)力集中，故在工作面兩側(cè)頂?shù)装逯虚_(kāi)展頂?shù)装迳顪\孔爆破，在煤層頂?shù)装鍘r石中形成立體“緩沖帶”，改變水平應(yīng)力的傳播路徑，以阻礙與減弱應(yīng)力傳遞。從而降低最大水平主應(yīng)力的影響，形成頂?shù)装迦趸瘏^(qū)，降低最大水平主應(yīng)力的傳遞作用，使最大水平主應(yīng)力的作用遠(yuǎn)離采礦活動(dòng)空間。近直立煤層頂?shù)装逍秹罕圃砣鐖D2所示。

圖2 近直立煤層頂?shù)装逍秹罕圃?/p>

2.2 深淺孔爆破方案

烏東煤礦南采區(qū)采用頂?shù)装迳顪\孔爆破卸壓方案，方案基于當(dāng)前近直立煤層沖擊地壓防治理論研究成果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件進(jìn)行理論計(jì)算后提出，具體方案如下：淺層爆破孔。每組布置3個(gè)鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度分別為25m，25m和35m；角度分別為25°，45°和60°；裝藥長(zhǎng)度分別為15m，15m和23m，孔徑均為113mm。中等危險(xiǎn)區(qū)域，排距為7.5m/排；弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，排距為10m/排。深層爆破孔。每組布置2個(gè)鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度50m，孔徑113mm，裝藥長(zhǎng)度20m，封孔長(zhǎng)度30m，鉆孔施工角度分別為25°、35°。中等危險(xiǎn)區(qū)域：排距為22.5m/排，弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域：排距為30m/排。頂?shù)装迳顪\孔參數(shù)見(jiàn)表1、表2。深、淺爆破孔裝藥均采取正向人工裝藥，封堵采用封孔器黃土封堵，連線方式采用孔內(nèi)并聯(lián)，孔間串聯(lián)，起爆方式為單次單排。在超前工作面約60m處進(jìn)行爆破卸壓，頂?shù)装迳顪\孔布置如圖3所示。

圖3 深淺孔布置平面(m)

表1 頂?shù)装灞茰\孔參數(shù)表

表2 頂?shù)装灞粕羁讌?shù)表

3 鉆孔窺視方案與結(jié)果分析

3.1 測(cè)試原理及設(shè)備

鉆孔窺視具有直觀、快捷的優(yōu)點(diǎn)，在圍巖裂隙、弱面等結(jié)構(gòu)發(fā)育情況、圍巖完整性評(píng)價(jià)等方面應(yīng)用較為廣泛?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用CXK6-Z礦用本安型鉆孔成像儀，主要包括鉆孔成像儀主機(jī)、探頭、推桿、深度計(jì)數(shù)器等，深度計(jì)數(shù)器用來(lái)記錄探頭在鉆孔內(nèi)行進(jìn)的深度，探頭內(nèi)帶LED白光發(fā)光二極管和攝像機(jī)，用來(lái)攝取孔壁圖像，獲得的視頻信號(hào)通過(guò)視頻傳輸電纜傳到主機(jī)，主機(jī)接收深度計(jì)數(shù)器傳來(lái)的深度脈沖信號(hào)和探頭傳來(lái)的視頻信號(hào)，計(jì)算探頭所在的深度位置，開(kāi)始采集后儀器將鉆孔內(nèi)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻錄制和成圖。主機(jī)在對(duì)圖像進(jìn)行錄制的同時(shí)，顯示實(shí)時(shí)監(jiān)視圖像，保存后的視頻和圖像可以傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上作進(jìn)一步分析?？蓪?shí)現(xiàn)孔壁實(shí)時(shí)成像、深度自動(dòng)記錄、剖面自動(dòng)提取等功能。通過(guò)分析爆破前后孔內(nèi)節(jié)理裂隙、松動(dòng)破壞范圍變化情況，進(jìn)而對(duì)爆破效果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

3.2 測(cè)試方案

為對(duì)烏東煤礦頂?shù)装迳顪\孔爆破效果進(jìn)行直觀分析，在工作面前方未爆破的鉆孔之間布置兩組窺視孔，一組布置在淺孔與淺孔之間，一組布置在淺孔與深孔之間，共計(jì)4個(gè)窺視孔，鉆孔直徑113mm，長(zhǎng)度50m，施工角度30°，爆破前后對(duì)同一窺視孔開(kāi)展測(cè)試工作，窺視前采用高壓水流對(duì)鉆孔進(jìn)行沖洗。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況，最終確定現(xiàn)場(chǎng)窺視位置為B6巷1106m、1091m處，B6巷1068.5m、1061m處，窺視孔立面布置如圖4所示。

圖4 窺視孔立面布置

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)爆破前后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出爆破前后頂?shù)装辶严栋l(fā)育與離層擴(kuò)展規(guī)律如圖5所示。爆破后頂?shù)装鍘r體完整性發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為新裂隙發(fā)育，原有裂隙擴(kuò)展或發(fā)育為離層，局部離層發(fā)育形成破碎區(qū)。以B3巷1106m、1091m窺視孔為例，繪制了裂隙發(fā)育柱狀素描如圖6所示，統(tǒng)計(jì)素描圖中裂隙、離層、錯(cuò)位、破碎區(qū)爆破前后的數(shù)量變化分析可得，卸壓爆破后裂隙、離層數(shù)量明顯增多，爆破后產(chǎn)生了新的裂隙，裂隙數(shù)量增加約46.6%，若干裂隙進(jìn)一步發(fā)育為離層，局部出現(xiàn)破碎區(qū)；從鉆孔相對(duì)位置來(lái)看，B3巷1106m窺視孔位于深孔和淺孔之間，B3巷1091m鉆孔位于兩淺孔之間，B3巷1106m窺視孔裂隙數(shù)量較多，發(fā)育程度較高，爆破效果較好；由裂隙分布位置分析可得，受深淺孔裝藥位置的影響，爆破后裂隙發(fā)育與擴(kuò)展主要分布在鉆孔10～40m處，其中30～40m處裂隙與離層較為集中，局部甚至出現(xiàn)破碎區(qū)，說(shuō)明在頂?shù)装逯行纬闪藨?yīng)力緩沖區(qū)，起到了良好的卸壓效果；卸壓爆破后，鉆孔0～10m處也有少量裂隙發(fā)育與離層形成，說(shuō)明爆破也同樣對(duì)巷道近場(chǎng)圍巖造成了損傷，不利于巷道后期維護(hù)，可考慮對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 爆破前后頂?shù)装辶严斗植?/p>

圖6 爆破前后裂隙發(fā)育柱狀素描

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

4.1 爆破前后煤巖體電磁輻射測(cè)試

電磁輻射、微震等監(jiān)測(cè)方法被廣泛用于沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害防治領(lǐng)域，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)王恩元教授課題組提出了基于電磁輻射的沖擊地壓預(yù)測(cè)原理與預(yù)報(bào)方法，并研制了電磁輻射監(jiān)測(cè)儀，推動(dòng)了煤巖電磁輻射技術(shù)在沖擊地壓礦井的應(yīng)用[18]。李金鐸[19]通過(guò)煤巖體受載實(shí)驗(yàn)得出，電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度與煤巖體應(yīng)力集中程度呈正相關(guān)，即應(yīng)力集中程度越高，電磁輻射信號(hào)越強(qiáng)。故對(duì)爆破前后的煤巖體進(jìn)行測(cè)試，電磁強(qiáng)度的變化可間接反映爆破前后煤巖體的應(yīng)力集中狀態(tài)變化，進(jìn)而評(píng)價(jià)其卸壓效果。采用YDC7.4便攜式煤巖動(dòng)力災(zāi)害電磁輻射儀，如圖7所示。對(duì)B3巷兩側(cè)煤巖體爆破前后電磁輻射信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，每隔10m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖7 YDC7.4便攜式煤巖動(dòng)力災(zāi)害電磁輻射儀

圖8 爆破前后煤巖體電磁強(qiáng)度

由爆破前后煤巖體電磁強(qiáng)度曲線變化情況可得，1110～1087.5m范圍內(nèi)實(shí)施深淺孔爆破后，B3巷兩側(cè)煤體和巖體電磁輻射強(qiáng)度都有明顯下降，而1087.5m前方未爆破區(qū)域兩次測(cè)量的電磁強(qiáng)度無(wú)明顯差異；為對(duì)比分析1110～1087.5m范圍內(nèi)鉆孔爆破前后煤巖體電磁強(qiáng)度變化情況，選取爆破區(qū)域內(nèi)1110m、1100m、1090m三個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析可得，實(shí)施爆破后巖體內(nèi)電磁強(qiáng)度下降了29.5%，煤體內(nèi)電磁強(qiáng)度下降了12.8%，從煤巖體電磁強(qiáng)度的下降間接反映了煤巖體應(yīng)力集中程度的下降，深淺孔爆破對(duì)巷道兩側(cè)煤巖體起到了良好的卸壓效果，且?guī)r體卸壓效果較煤體明顯。

4.2 微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前被廣泛用于礦井沖擊地壓監(jiān)測(cè)和預(yù)警，烏東煤礦B3+6工作面布置有ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[20]，選取工作面近一個(gè)月微震數(shù)據(jù)，整理可得每日微震頻次與能量變化情況如圖9所示。工作面微震頻次與能量變化無(wú)明顯規(guī)律，對(duì)照開(kāi)展深淺孔爆破的日期分析可得，爆破前后工作面微震能量和頻次整體呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，深淺孔爆破使工作面圍巖裂隙擴(kuò)展，圍巖完整性降低，積聚的應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致工作面微震事件頻次與能量增加，應(yīng)力釋放過(guò)后圍巖趨于穩(wěn)定，微震事件頻次逐漸減少，能量逐漸降低，反映了實(shí)施深淺孔爆破對(duì)工作面起到了良好的卸壓效果。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)微震頻次與能量變化情況

5 結(jié) 論

1)理論分析了近直立煤層頂?shù)装灞菩秹涸恚陧數(shù)装鍘r層中形成“緩沖帶”，減弱高水平應(yīng)力傳遞，從而起到工作面卸壓的效果，提出了烏東煤礦頂?shù)装迳顪\孔爆破方案。

2)設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視方案，對(duì)比爆破前后深淺孔中間的窺視孔進(jìn)行了分析，爆破后裂隙、離層數(shù)量明顯增多，爆破后產(chǎn)生了新的裂隙，數(shù)量增加約46.6%，若干裂隙進(jìn)一步發(fā)育為離層，局部出現(xiàn)破碎區(qū)，證明了在頂?shù)装逯行纬闪恕熬彌_帶”，一定程度減弱了水平應(yīng)力的傳遞，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

3)頂?shù)装迳顪\孔爆破后煤巖體電磁強(qiáng)度明顯降低，工作面爆破前后微震能量與頻次呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律變化，說(shuō)明爆破后頂?shù)装逋暾越档?，?yīng)力集中程度降低，間接證明頂?shù)装迳顪\孔爆破對(duì)工作面起到了良好的卸壓效果。