張 輝，孔令海，李浩蕩

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京100013；3.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭生產(chǎn)部，北京100011）

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淺埋工作面上方集中煤柱預(yù)爆破效果微震監(jiān)測(cè)研究

張 輝1，2，孔令海1，2，李浩蕩3

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京100013；3.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭生產(chǎn)部，北京100011）

石圪臺(tái)煤礦31201綜采工作面過(guò)上方房式采空區(qū)集中煤柱后，上覆巖層的大范圍運(yùn)動(dòng)造成下煤層綜采面大量支架壓死?；趲r體力學(xué)理論，分析了深孔爆破對(duì)上方集中煤柱的破壞機(jī)制，破壞煤柱完整性使房柱采空區(qū)上覆巖層超前破壞；探討了實(shí)現(xiàn)房柱采空區(qū)大范圍上覆巖層緩慢釋放能量及漸進(jìn)破壞的機(jī)理?；谖⒄鸨O(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)比分析了集中煤柱爆破后覆巖破壞特征，探討了集中煤柱爆破效果。結(jié)果表明，基于微震監(jiān)測(cè)結(jié)果的爆破效果評(píng)價(jià)方法是合理的，符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

集中煤柱；爆破效果；微震監(jiān)測(cè)；房柱采空區(qū)；動(dòng)載礦壓

我國(guó)西北部許多礦區(qū)存在房柱開采遺留的采空區(qū)，由于與現(xiàn)開采的工作面距離近，許多煤礦生產(chǎn)中面臨工作面過(guò)上方煤柱后的動(dòng)載工程問(wèn)題。

近年來(lái)，圍繞工作面淺埋動(dòng)載控制問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者進(jìn)行了不同具體條件下的研究，取得了許多成果［1-6］。屠世浩等［1］研究了淺埋深近距離房柱采空區(qū)下煤層長(zhǎng)壁開采工作面頂板垮落特征、致災(zāi)機(jī)理和控制技術(shù)，保證了工作面的安全生產(chǎn)。鞠金峰等［2］研究了近距離煤層工作面出上覆傾向煤柱時(shí)的動(dòng)載礦壓?jiǎn)栴}，從煤柱邊界超前工作面失穩(wěn)的角度闡述了其對(duì)動(dòng)載礦壓災(zāi)害的抑制機(jī)理，并分析了多種因素對(duì)煤柱邊界超前失穩(wěn)的影響規(guī)律。楊敬軒等［3］對(duì)房柱采空區(qū)下近距離兩煤層頂板砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了非連續(xù)均載作用下的砌體結(jié)構(gòu)承載運(yùn)動(dòng)特征普適模型、房柱采空區(qū)下兩煤層組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的受力運(yùn)動(dòng)模型。孟達(dá)等［4］認(rèn)為，煤柱破壞后，頂板跨度成倍增加，其載荷轉(zhuǎn)移到相鄰煤柱上，引起相鄰煤柱破壞，最后產(chǎn)生連鎖現(xiàn)象。許家林等［5］研究了溝谷地形對(duì)淺埋煤層開采動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)的影響機(jī)理，工作面過(guò)溝谷上坡段時(shí)易發(fā)生端面切頂、冒頂和支架活柱急劇下縮的動(dòng)載礦壓，工作面過(guò)溝谷地形上坡段時(shí)一般不易產(chǎn)生動(dòng)載礦壓。工作面出煤柱階段，上方不穩(wěn)定三鉸式結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊體隨下部巖層下移而發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致下煤層關(guān)鍵層斷裂塊體上覆載荷過(guò)大而失穩(wěn)，提出了促使關(guān)鍵塊體提前回轉(zhuǎn)、阻止和破壞其回轉(zhuǎn)的壓架災(zāi)害防治思路。陳蘇社［6］通過(guò)分析近距離煤層群下層煤綜采工作面過(guò)上層煤集中煤柱期間的礦壓及顯現(xiàn)規(guī)律，基于動(dòng)載礦壓原因的分析，采取了一系列防治壓架的技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。上述文獻(xiàn)從不同角度分析了形成工作面來(lái)壓的特征，研究了淺埋煤層不同開采條件下的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)載礦壓機(jī)理，提出了有針對(duì)性的措施。但由于各礦區(qū)開采條件和地質(zhì)條件的差異，淺埋動(dòng)載礦壓機(jī)理千差萬(wàn)別，其防治措施難以復(fù)制。

本文以微震監(jiān)測(cè)技術(shù)為手段，分析了綜采面上方房柱采空區(qū)集中煤柱爆破后的微震事件分布特征，研究了爆破后集中煤柱覆巖破壞特征，探討了基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的煤柱爆破效果評(píng)價(jià)方法。

1　工作面概況與動(dòng)載顯現(xiàn)特征

神東石圪臺(tái)煤礦31201工作面位于31煤層，為該煤層首采工作面，其上部間隔34.5～39.0m 為22煤層。該煤層已由原天隆煤礦采用房柱式開采形成大面積煤房采空區(qū)和殘留煤柱。31201工作面傾向長(zhǎng)度為311.4m，走向長(zhǎng)度為1865m，31201工作面所在31煤層厚度一般在3.0～4.4m之間，平均4.0m，煤層傾角1～3°。工作面基巖厚度55.5～130m，埋深109.2～132.2m。工作面上覆有22煤房采采空區(qū)，上部的22煤層采高3.8m，采空區(qū)以3組平行于工作面的集中煤柱進(jìn)行隔離，預(yù)留3段較大（24～61m）集中煤柱和若干較小（14～20m）集中煤柱，具體回采情況不詳。煤巖層柱狀見表1，31201工作面平面布置情況如圖1所示。

初采期間工作面來(lái)壓不明顯，局部來(lái)壓導(dǎo)致煤壁片幫和部分支架立柱安全閥開啟，開啟率約10%，無(wú)立柱下沉現(xiàn)象。工作面正常推進(jìn)期間，來(lái)壓時(shí)煤壁有炸幫、片幫、頂板掉渣、漏矸現(xiàn)象，工作面安全閥開啟率在5%～15%之間。工作面兩端頭及巷道來(lái)壓不明顯，沒(méi)有出現(xiàn)較大裂隙。至2013年12月，31201工作面出現(xiàn)多次礦壓顯現(xiàn)非常強(qiáng)烈的現(xiàn)象，工作面推進(jìn)773m，最嚴(yán)重時(shí)工作面壓死121臺(tái)支架，活柱行程由原來(lái)1.3～1.5m下沉到0～0.2m，導(dǎo)致工作面停產(chǎn)。壓架后3個(gè)月煤礦才恢復(fù)生產(chǎn)，給煤礦造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)場(chǎng)壓架情況如圖2所示。

2　集中煤柱預(yù)爆破與防止壓架的機(jī)理分析

2.1煤柱爆破降低覆巖完整性的理論分析

通過(guò)對(duì)31201工作面開采地質(zhì)條件的分析可知，工作面上方22煤房柱采空區(qū)存在大量遺留煤柱，這些煤柱中的寬度較大的隔離煤柱起到了支撐上覆巖層的作用，使得房柱采空區(qū)上覆巖層保持較好完整性。當(dāng)31201工作面推過(guò)集中煤柱一段距離時(shí)，集中煤柱完全失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致房式采空區(qū)上覆巖層發(fā)生瞬時(shí)大面積失穩(wěn)下沉，超大動(dòng)載瞬時(shí)將下方綜采面大部分支架壓死。集中煤柱上方懸而未冒的基本頂失穩(wěn)切冒成為大面積、瞬間壓架的根本原因［7-11］，故對(duì)集中煤柱和上覆未冒落基本頂?shù)奶幚硎欠乐螇杭?、保障安全生產(chǎn)的可行措施。

表1　工作面煤巖層柱情況

圖1　31201工作面與推斷房柱采空區(qū)的位置關(guān)系

圖2　31201工作面來(lái)壓期間支架被壓情況

通過(guò)對(duì)集中煤柱進(jìn)行爆破，破壞了煤柱的完整性及支撐上覆巖層的基礎(chǔ)；當(dāng)工作面推進(jìn)至集中煤柱附近區(qū)域時(shí)，集中煤柱及覆巖進(jìn)入超前支承壓力影響區(qū)，受采動(dòng)影響，爆破致裂的煤巖體發(fā)生進(jìn)一步地破壞，覆巖爆生裂隙及原生裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，并形成較大裂隙；工作面推進(jìn)至一定范圍時(shí)，集中煤柱發(fā)生失穩(wěn)破壞，同時(shí)誘發(fā)覆巖產(chǎn)生較大下沉，從而實(shí)現(xiàn)大面積覆巖 “能量階段釋放、動(dòng)壓分次化解”的目的，保證安全生產(chǎn)。

2.2集中煤柱爆破方案

為解決31201工作面上部22煤層預(yù)留集中煤柱導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)22煤層集中煤柱實(shí)施深孔爆破措施。爆破的目標(biāo)為22煤集中煤柱及上方直接頂巖層，爆破方案具體為:

（1）基于集中煤柱位置的調(diào)研資料，通過(guò)鉆探方法，初步確定了集中煤柱的位置。

（2）根據(jù)集中煤柱鉆探結(jié)果，31201工作面推進(jìn)至距離上方22煤集中煤柱水平距離約40m處開始施工爆破鉆孔。

（3）沿傾向方向，間隔14m布置向22煤層打穿層鉆孔進(jìn)行深孔爆破，共設(shè)計(jì)鉆孔22個(gè)，成孔直徑94mm。爆破參數(shù)如圖3所示。

圖3　集中煤柱爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

（4）爆破方法為正向爆破，一次打眼，一次裝藥，一次爆破。

3　基于微震監(jiān)測(cè)結(jié)果的爆破效果分析

工作面現(xiàn)場(chǎng)采用KJ768煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采取了井下與地面聯(lián)合監(jiān)測(cè)的立體布置方案，井下設(shè)微震監(jiān)測(cè)分站2個(gè)，地面設(shè)微震監(jiān)測(cè)分站1個(gè)，共設(shè)測(cè)點(diǎn)76個(gè)。其中，在井下回風(fēng)巷共布置測(cè)點(diǎn)31個(gè)，主運(yùn)輸巷布置測(cè)點(diǎn)34個(gè)，地面布置測(cè)點(diǎn)11個(gè)。微震監(jiān)測(cè)基站設(shè)在地面監(jiān)控室，通過(guò)光纜將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至微震監(jiān)測(cè)基站的主機(jī)，監(jiān)控室實(shí)行24h值班制度，每天設(shè)專人對(duì)微震數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)每天每個(gè)班次的生產(chǎn)指導(dǎo)。

集中煤柱爆破時(shí)間為2014年3月28日晚，爆破7h后，即在3月29日，微震事件的指標(biāo)特征為:

（1）爆破后7h內(nèi)，22煤頂板15個(gè)，占35.7%；31煤頂板27個(gè)，占64.3%，如圖4（a）所示。

（2）爆破后7～31h內(nèi)，22煤頂板22個(gè)，占38.6%；31煤頂板35個(gè)，占61.4%，如圖4（b）所示。表2為爆破前后微震事件指標(biāo)變化情況，由表2可知，相比爆破前，微震事件數(shù)量和能量發(fā)生突變。分析發(fā)生突變的主要原因是由于爆破誘發(fā)31煤高位頂板和22煤煤柱的破壞，進(jìn)一步誘發(fā)22煤上覆巖層的破壞，從爆破后連續(xù)兩日的微震事件分布看，受22煤煤柱和22煤頂板破壞運(yùn)動(dòng)的影響，工作面超前范圍的31煤頂板巖層還處于能量釋放階段，說(shuō)明22煤煤柱的破壞失穩(wěn)并未結(jié)束，集中煤柱及附近區(qū)域煤巖體持續(xù)釋放能量。

圖4　微震事件分布情況

表2　爆破前后微震事件指標(biāo)變化情況

3月29日晚21:00前后，工作面機(jī)頭區(qū)地表產(chǎn)生下沉，地面裂隙素描如圖5所示，地面最大裂縫超前工作面約85m范圍。在地表發(fā)生沉陷后的3 月30日至4月3日，工作面安全推過(guò)集中煤柱區(qū)，說(shuō)明此次集中煤柱爆破達(dá)到了預(yù)期效果，也驗(yàn)證了微震監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。

圖5　爆破后地面最大裂縫素描

4　結(jié) 論

基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，探討了基于微震監(jiān)測(cè)結(jié)果的淺埋房柱采空區(qū)集中煤柱爆破效果，指出集中煤柱上方懸而未冒的基本頂?shù)氖Х€(wěn)切冒是造成工作面大面積、瞬間壓架的根本原因，對(duì)集中煤柱的超前破壞是有效處理上覆未冒基本頂?shù)目尚写胧?。微震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，集中煤柱爆破后，房柱采空區(qū)的頂板巖層發(fā)生集中破壞，爆破后7h左右地表產(chǎn)生下沉，基于微震監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的煤柱爆破效果評(píng)價(jià)方法是合理的，結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

Microseimic Monitoring of Concatenation Pillar Preblasting Results Above the Working Face in Shallow

ZHANG Hui1，2，KONG Ling-hai1，2，LI Hao-dang3
（1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining&Clean Utilization（China Coal Research Institute），Beijing 100013，China；3.Coal Production Department，Shenhua Corporation Co.，Ltd.，Beijing 100011，China）

After 31201 fully mechanized coal mining face of Shigetai coal mine passed concatenation pillar of room and pillar goaf，then a large amount supports of fully mechanized coal mining face were pressured as large scope of overburden movement，on the basis rock mass mechanics theory，the broken law of the deep hole blasting to upper concatenation pillar was analyzed，ahead broken appeared in overburden of room and pillar goaf as the integrity of broken pillar，the principle of energy release slowly and progressive failure of large scope overburden around room and pillar goaf were discussed.On the basis of microseimic results，the broken characters of overburden after concatenation pillar blasting were compared analysis，and blasting results were discussed.The results showed that the evaluation method of blasting results was rational under microseimic results，its consistent to the practical application.

concatenation pillar；blasting results；microseimic monitoring；room and pillar goaf；dynamic mine pressure

TD989；P315.75

A

1006-6225（2016）04-0119-04

2016-02-22

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.030

國(guó)家 “十二五”科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2011ZX05040-002-004）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51304117）；國(guó)家國(guó)際科技合作項(xiàng)目（2011DFA61790）

張 輝（1977-），男，四川南川人，工程師，主要從事煤礦礦用儀器儀表開發(fā)工作。

［引用格式］張 輝，孔令海，李浩蕩.淺埋工作面上方集中煤柱預(yù)爆破效果微震監(jiān)測(cè)研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：119-122.