單麒源 商宇航

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

雙鴨山集賢煤礦沖擊地壓防治技術(shù)

單麒源 商宇航

(黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

分析了集賢礦西二采區(qū)沖擊地壓的發(fā)生原因，結(jié)合沖擊地壓發(fā)生理論，提出了大孔徑煤體鉆孔卸壓和深孔爆破切頂技術(shù)，有效緩解了該采區(qū)的沖擊地壓災(zāi)害，排除生產(chǎn)安全隱患，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

沖擊地壓 鉆孔卸壓 爆破切頂

集賢煤礦已有多年的開采歷史，隨著開采深度的增加，沖擊危險(xiǎn)性明顯加大，尤其是西二采區(qū)開采以后，沖擊地壓發(fā)生的頻率明顯增加，強(qiáng)度普遍較大，極大地影響了礦井安全生產(chǎn)，需對其進(jìn)行治理。

1 沖擊地壓發(fā)生的原因

(1)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理。當(dāng)頂?shù)装遄銐驁?jiān)硬，煤體會處于一個被頂?shù)装鍔A持的狀態(tài)，限制了煤體的卸載變形，從而集聚了很多的彈性勢能[1]。同時煤體也會被壓的更實(shí)在，在煤-巖相交處形成一個高壓帶，煤體中儲積了很高的彈性勢能，如果此時的彈性勢能高于限制阻力，煤體彈性勢能就會迅速釋放出來，將煤體推向巷道自由空間，導(dǎo)致沖擊地壓的產(chǎn)生[2-3]。

(2)集賢煤礦西二采區(qū)沖擊地壓發(fā)生原因分析：①根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國沖擊地壓發(fā)生頻率較高的開采深度為600 m，目前西二采區(qū)開采深度在600 m附近，增加了沖擊地壓發(fā)生的可能性；②頂板堅(jiān)硬厚度較大，易于造成大面積懸頂，產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時集聚彈性勢能，有助于沖擊地壓形成；③復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造使煤巖水平構(gòu)造應(yīng)力增大，為沖擊地壓提供先天條件；④區(qū)段煤柱留設(shè)過寬，對頂板起到了很好的支撐，同時煤柱自身也集聚了很多能量，易誘發(fā)沖擊地壓。

2 西二采區(qū)沖擊地壓防治措施

雙鴨山礦區(qū)沖擊地壓現(xiàn)象表現(xiàn)出煤巖大量拋出，從遠(yuǎn)近場載荷系統(tǒng)綜合考慮，動力源不僅是堅(jiān)硬頂板，也可能是高位巖層的作用，而每一次沖擊破壞位置均位于上巷兩幫，可見頂板斷裂產(chǎn)生的動載在沖擊地壓的形成過程中發(fā)揮了重要的作用；沖擊地壓僅發(fā)生在應(yīng)力高度集中區(qū)域，工作面超前應(yīng)力影響的上巷區(qū)段煤柱，沖擊地壓將始終發(fā)生在距震源最近的自由面附近，該處受動載作用最強(qiáng)烈。礦井動靜加載條件下沖擊地壓形成機(jī)理模型如圖1所示。

2.1 大孔徑煤體鉆孔卸壓技術(shù)

2.1.1 大孔徑煤體鉆孔卸壓機(jī)理

鉆孔圍巖原有的三維受力環(huán)境發(fā)生改變，煤巖強(qiáng)度下降，集中應(yīng)力大于圍巖的強(qiáng)度極限，鉆孔內(nèi)壁形成塑性區(qū)域，且逐漸增大[4]。當(dāng)塑性圈內(nèi)部的自由空間較大，形變達(dá)到一定時，鉆孔內(nèi)壁會產(chǎn)生裂隙損壞，形成破裂區(qū)，依次向外形成塑性區(qū)、彈性區(qū)，而起到關(guān)鍵卸壓作用的是破裂區(qū)。如圖2所示[5]。

圖1 礦井沖擊煤巖體能量釋放原理

圖2 孔徑煤體鉆孔卸壓機(jī)理

破裂區(qū)的持續(xù)發(fā)育，使得煤巖強(qiáng)度逐漸降低，鉆孔內(nèi)壁產(chǎn)生裂隙直至塌孔，鉆孔直徑被擴(kuò)大，引起鉆孔周圍應(yīng)力重新分布，重新形成破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，如此重復(fù)，不斷對鉆孔周圍的煤巖進(jìn)行卸載，改變其應(yīng)力狀態(tài)，擴(kuò)大卸壓范圍。

2.1.2 大直徑鉆孔布置方案

在特定的地質(zhì)構(gòu)造和應(yīng)力條件下，增大鉆孔直徑可有效提高卸壓效果。但鉆頭直徑過大，孔壁承受的壓力超過鉆頭的扭力，導(dǎo)致夾鉆，更有甚者會發(fā)生鉆孔沖擊；在急傾斜煤層中，增加鉆孔直徑對工人和鉆孔設(shè)備要求更高，施工效率低。

2.1.2.1 上幫煤層煤體鉆孔卸壓

孔徑133 mm，孔深15 m左右，鉆孔傾角與煤層傾角相同、方向與煤層走向相同，平行煤層布置。起始位置自切眼煤壁向外150 m，每隔1.5 m鉆一個卸壓孔，終止在B1點(diǎn)前45 m，鉆孔高度在煤層中部，如圖3所示。

2.1.2.2 下幫煤層煤體鉆孔卸壓

孔徑133 mm，孔深60 m左右，鉆孔傾角與和煤層傾角相同、方向與煤層走向相同，平行煤層布置，在下幫原瓦斯抽放孔中間鉆孔。起始在切眼煤壁往外150 m，每隔3.0 m鉆一個卸壓孔，終止在B1點(diǎn)前45 m，鉆孔高度在煤層中部，卸壓鉆孔鉆好后，用水泥砂漿封孔，封孔長度大于200 mm。卸壓孔布置如圖4所示。

圖3 上幫煤層卸壓鉆孔布置(單位：m)

圖4 下幫煤體卸壓孔布置(單位：m)

2.2 深孔爆破切頂技術(shù)

2.2.1 深孔爆破切頂機(jī)理

控制爆破技術(shù)會使鉆孔周圍形成粉碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動區(qū)。粉碎區(qū)和裂隙區(qū)使工作面前方頂板應(yīng)力重新分布，集中應(yīng)力得到釋放并向深部轉(zhuǎn)移或使頂板斷裂，減小頂板軸向的應(yīng)力梯度[6],同時承受集中應(yīng)力的頂板向破碎區(qū)方向產(chǎn)生一定的“流變”，內(nèi)部的彈性勢能得到釋放，減小了徑向上的應(yīng)力梯度，預(yù)防了沖擊地壓地發(fā)生[7]。

2.2.2 爆破孔布置方案

2.2.2.1 爆破孔參數(shù)

(1)孔徑。滿足爆破能量，同時還要獲取較高的成孔率，取鉆孔直徑為94 mm。

(2)孔間距。根據(jù)爆破破碎區(qū)和裂隙區(qū)半徑：

(1)

(2)

式中,ρ0為炸藥密度，kg/m3；Dv為炸藥爆速，m/s；n為爆炸氣體對鉆孔內(nèi)壁的壓力增大系數(shù)，一般取n=10；K為不耦合裝藥系數(shù)；lc為裝藥軸向系數(shù)，取lc=1；η為爆轟產(chǎn)物的膨脹絕熱指數(shù)，一般取3；σcd、σtd分別為巖石動態(tài)抗壓、抗拉強(qiáng)度，MPa。

通過現(xiàn)場巖石取樣，試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)并計(jì)算，可得西二采區(qū)破碎區(qū)半徑約為210 mm，裂隙區(qū)半徑為2.5 m，炮孔間距可以設(shè)為5 m。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，走向切頂爆破雙孔鉆設(shè)孔間距為5.2 m；考慮現(xiàn)場實(shí)際，傾向切頂孔按組鉆設(shè)，間距為15 m。

(3)孔深。為保證側(cè)向空區(qū)頂板和采空區(qū)后方頂板在爆破后能夠完全斷裂，將側(cè)向采空區(qū)切頂和本工作面頂板超前切頂結(jié)合考慮。

微震監(jiān)測結(jié)果表明，礦井高能量沖擊事件震源大都位于煤層上方25 m以上。厚度為7.3 m細(xì)砂巖和9.43 m厚的中砂巖是兩個嚴(yán)重危險(xiǎn)源，受鉆孔施工難度和長度限制，工作面超前切頂以7.3 m細(xì)砂巖為主。通過計(jì)算，走向切頂鉆孔深度為50，45 m，傾角為50°，90°；傾向切頂鉆孔深度為46，50，57 m，傾角分別為72°，55°，42°。

(4)封孔長度。封孔長度小于臨界長度會發(fā)生打孔(拋擲漏斗)，大于臨街長度會縮減爆破強(qiáng)度，不利于裂隙發(fā)育。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)將封孔長度確定為整個孔深的30%左右。

(5)裝藥量。鉆孔裝藥使用裝藥機(jī)，根據(jù)鉆孔深度和封孔長度及鉆孔直徑計(jì)算裝藥量。

爆破孔參數(shù)如表1所示。

2.2.2.2 爆破施工方案

(1)走向切頂爆破孔。從切眼向外100 m開始，沿巷道中線施工，每隔5m鉆設(shè)一組，從頂板入鉆，孔深分別50，45 m；傾角為50°，90°，終止位置B1點(diǎn)前45 m，孔徑 94 mm，如圖5所示。

表1 切頂爆破孔參數(shù)

圖5 走向斷頂孔布置示意

(2)傾向切頂爆破孔。從切眼向外100 m開始，沿巷道中線左幫(下幫)，每隔15 m打設(shè)一組，頂板入鉆，鉆孔深度分別為46，50，57 m；傾角分別為72°，55°，42°。終止位置B1點(diǎn)前45 m，孔徑94 mm，如圖6所示。

圖6 傾向斷頂孔布置示意

走向、傾向斷頂孔平面布置，如圖7所示。

圖7 走向、傾向斷頂孔平面布置示意(單位：mm)

3 結(jié) 論

通過采用大孔徑煤體鉆孔卸壓和深孔爆破切頂，對集賢礦西二采區(qū)沖擊地壓災(zāi)害進(jìn)行專項(xiàng)治理，使該采區(qū)沖擊地壓安全事故明顯減少，采煤設(shè)備和巷道得到了有效保護(hù)，消除了生產(chǎn)安全隱患，減少了安全事故的發(fā)生，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

[1] 費(fèi)鴻祿，徐小荷.巖爆的動力失穩(wěn)[M].上海:東方出版中心,1998.

[2] 徐曾和,徐小荷,唐春安.堅(jiān)硬頂板條件下煤柱巖爆的尖點(diǎn)突變理論分析[J].煤炭學(xué)報(bào),1995,20(5):485-491.

[3] 李廷芥,王耀輝,張梅英，等.巖石裂紋的分形特性及巖爆機(jī)理研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000(1):6-10.

[4] 王淑坤,齊慶新,曾永志.我國煤巖沖擊傾向研究的進(jìn)展[J].煤礦開采,1998(3):30-32

[5] 景海河.深部工程圍巖特性及其變形破壞機(jī)制研究[D].北京:中國礦業(yè)大學(xué),2002.

[6] 董方庭.巷道圍巖松動圈支護(hù)理論及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2001.

[7] 于貴良，李 前，王元杰.深部急傾斜特厚煤層分層開采沖擊地壓防治技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011(2)：17-21.

Control Technique of the Rock Burst of Shuangyashan Jixian Coal Mine

Shan Qiyuan Shang Yuhang

(School of Mining Engineering, Heilongjiang university of Science&Technology)

The cause of rock burst in the west distirct of Jixian Coal Mine west district is analyzed, combining with the occurred theory of rock burst, the method large aperture coal drill hole pressure relief and the roof of cutting in deep-hole blasting are proposed. The application results show that the rock burst in this mining area is alleviated effectively, the safety hazards in production is excluded, besides that, significant economic and social benefits are obtained.

Rock burst， Borehole pressure relief, Cut top by blasting

2015-04-07)

單麒源(1985—)，男，助教，碩士，150027 黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)糖廠街1號。