白俊杰

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300)

沖擊地壓工作面末采期間的采動(dòng)應(yīng)力與回撤通道煤柱集中應(yīng)力相互疊加，增加了末采階段沖擊地壓防治的復(fù)雜性[1，2]。頂板爆破作為一項(xiàng)重要的沖擊地壓治理技術(shù)手段，國(guó)內(nèi)已有較多研究成果。武善元[3]等基于四周固支巖梁模型，理論計(jì)算未切頂前頂板初次垮落和周期垮落步距，對(duì)復(fù)合灰?guī)r爆破切頂方案進(jìn)行了研究，解決頂板大跨度懸頂問(wèn)題；趙晉軍[4]采用超前深淺孔相結(jié)合的松動(dòng)爆破技術(shù)，對(duì)工作面初采期間的頂板進(jìn)行弱化處理，有效縮短了來(lái)壓步距；王金鑫[5]深孔預(yù)裂爆破采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)綜放工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化處理，縮短了來(lái)壓步距，并提高了初采期間的頂煤回收率；竇林名[6]等認(rèn)為爆破形成的弱面是控制沖擊關(guān)鍵，對(duì)減弱頂板動(dòng)載強(qiáng)度、降低煤體高靜載有重要意義。趙善坤[7]利用mises有效應(yīng)力指標(biāo)對(duì)弱化頂板完整性、降低高靜載，使其不具備積聚彈性變形能進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓的防控。前述研究均集中在爆破對(duì)頂板巖石完整性致裂、改善垮落效果，降低頂板動(dòng)載的問(wèn)題。但納林河二號(hào)礦井實(shí)踐證明：末采防沖頂板處置方案更注重對(duì)高應(yīng)力傳遞路徑的阻斷和對(duì)回撤通道的保護(hù)作用?；诖?，筆者對(duì)回撤通道防沖斷頂爆破設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、優(yōu)化，證實(shí)了“高+低位”爆破方案具有爆破尺度更大和爆破致裂破碎更充分兩個(gè)方面的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)力傳遞路徑進(jìn)行全面提前阻斷[8，9]，且應(yīng)力傳遞阻隔帶內(nèi)的應(yīng)力水平更低、應(yīng)力變化梯度更小，形成的阻斷、保護(hù)作用更強(qiáng)。這為今后類(lèi)似條件下的頂板處置方案設(shè)計(jì)提供了值得參考的技術(shù)思路。

1 工作面概況

納林河二號(hào)礦井31120、31103-2工作面布置在3-1主采煤層，埋深約600m，煤層厚度5.5～5.8m，煤層傾角1°～3°，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬度f(wàn)=1.6。煤層上方偽頂為泥巖，厚度0～0.5m；直接頂為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖，厚度8～10m；基本頂以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，厚度10～13m；上覆多層堅(jiān)硬、厚砂巖層，回撤通道頂板取芯結(jié)果顯示，各層位巖層致密、層面整合。

工作面長(zhǎng)度300m，按雙回撤通道布置[10]，主、輔回撤通道之間留設(shè)煤柱寬度25m，如圖1所示，均采用“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)，末采前在主回撤通道布置兩排ZZ18000/25/50垛式支架加強(qiáng)支護(hù)。

圖1 雙回撤通道布置

2 末采階段頂板沖擊問(wèn)題原因分析

2.1 末采面臨的沖擊問(wèn)題

經(jīng)鑒定及評(píng)價(jià)，3-1煤層的煤層和頂板巖層均具有強(qiáng)沖擊傾向性，末采階段沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為強(qiáng)。因雙回撤通道內(nèi)煤柱的存在，導(dǎo)致工作面末采期間形成“孤立煤體”，末采期間變形破壞嚴(yán)重[11]，已回采結(jié)束的工作面在末采階段回撤通道內(nèi)煤體鉆孔應(yīng)力計(jì)出現(xiàn)3～5處以上紅色大面積預(yù)警，且104J及以上的微震能量事件發(fā)生較頻繁，造成末采期間具有極高的沖擊危險(xiǎn)性[12，13]，嚴(yán)重制約安全回采貫通。

2.2 沖擊問(wèn)題分析

末采階段隨著回采，本工作面采動(dòng)應(yīng)力經(jīng)上覆巖層向回撤通道煤柱傳遞，導(dǎo)致采動(dòng)應(yīng)力與回撤通道煤柱集中應(yīng)力相互疊加，最終回撤通道煤柱應(yīng)力呈現(xiàn)高度集中。因此有必要從應(yīng)力阻斷和正面保護(hù)回撤通道的角度，對(duì)上覆巖層介質(zhì)狀態(tài)和應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行干預(yù)。

2.3 高應(yīng)力傳遞模型

斷頂爆破后在覆巖形成應(yīng)力傳遞阻隔帶，實(shí)現(xiàn)對(duì)采動(dòng)壓力傳遞的阻斷，對(duì)主回撤通道、孤立煤柱形成卸保護(hù)的作用，采動(dòng)壓力向更高、更廣的范圍傳遞，減緩了應(yīng)力集中，如圖2所示。

圖2 爆破后高應(yīng)力傳遞路徑的調(diào)整模型(m)

3 頂板爆破理論分析

3.1 單孔爆破致裂破碎范圍分析

根據(jù)現(xiàn)有爆破理論[14，15]，炸藥爆破后，從爆破源向外依次形成壓碎區(qū)、破裂區(qū)和震動(dòng)區(qū)。由于爆破無(wú)自由面情況下進(jìn)行的，不耦合裝藥時(shí)，可以按爆炸應(yīng)力波計(jì)算單孔爆破的破裂區(qū)范圍，裝藥爆破后作用于孔壁上徑向應(yīng)力峰值，即初始沖擊壓力Pr為：

將表1中相關(guān)參數(shù)代入式(1)進(jìn)行計(jì)算，Pr=3473MPa。

爆破相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，將表1相關(guān)參數(shù)代入式(2)計(jì)算得：R=4.38m。

表1 爆破相關(guān)參數(shù)

上述公式計(jì)算過(guò)程中忽略了爆破產(chǎn)生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)膨脹、裂隙空間的楔入作用，另外爆破引起的巖體完整性下降和強(qiáng)度損失也不僅僅局限于破裂區(qū)范圍內(nèi)，破裂區(qū)以外應(yīng)力波的損傷作用以及震動(dòng)效應(yīng)同樣可以削弱巖體的完整性和強(qiáng)度，依據(jù)高溫、高速爆生氣體和應(yīng)力波耦合作用的原則，綜合預(yù)裂增大系數(shù)K=1.3，則單孔爆破巖體的最遠(yuǎn)裂隙發(fā)育范圍R′=k×R=5.69m。

采用CXK12(A)礦用本安型鉆孔成像儀進(jìn)行窺視，距離爆破孔3.3m處布置平行檢測(cè)孔，縱向、橫向裂縫均有發(fā)育，孔壁極為破碎，如圖3所示，爆破后相鄰爆破孔之間裂隙貫通。

圖3 爆破模型及窺視結(jié)果

回撤通道深孔爆破的間距按10m布置比較合理，爆破后相鄰爆破孔之間裂隙貫通。

3.2 “高+低位”孔串聯(lián)一次起爆應(yīng)力波疊加效果

串聯(lián)一次起爆，產(chǎn)生的爆破應(yīng)力波相互疊加[16，17]，對(duì)爆破影響區(qū)域巖體產(chǎn)生超強(qiáng)度壓力，應(yīng)力波經(jīng)反射作用[18]，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)巖體形成反復(fù)壓縮、拉伸作用，最大拉應(yīng)力達(dá)到135.7MPa，如圖4所示，局部出現(xiàn)剪切破壞，對(duì)巖體致裂、破碎、粉碎起到增強(qiáng)作用，爆破區(qū)域的塊體破碎更充分[19]。

圖4 “高+低位”爆破孔串聯(lián)一次起爆

4 末采階段頂板爆破設(shè)計(jì)

在回撤通道進(jìn)行頂板取芯，并編錄頂板巖層柱狀圖，在此基礎(chǔ)上基于高應(yīng)力阻斷和正面保護(hù)的角度，采用頂板爆破手段對(duì)上覆巖層中的目標(biāo)層位進(jìn)行人工干預(yù)，如圖5所示，參數(shù)見(jiàn)表2。

圖5 斷頂爆破方案(m)

表2 主回撤通道頂板爆破孔參數(shù)

5 爆破效果分析

5.1 末采階段覆巖應(yīng)力環(huán)境分布

根據(jù)已有的頂板巖層應(yīng)力觀(guān)測(cè)資料，利用surfer 15.0對(duì)末采期間煤層上方60m范圍頂板巖層內(nèi)應(yīng)力分布情況和應(yīng)力等值線(xiàn)分布進(jìn)行模擬。

圖6 回撤通道末采階段覆巖應(yīng)力分布矢量(m)

1)頂板高位單孔爆破后，對(duì)煤層上方近距離頂板巖層內(nèi)較高層位形成爆破致裂破碎區(qū)域，該區(qū)域垂直范圍對(duì)應(yīng)于煤層上方18～40m，水平寬度10～22m，如圖6(a)所示。

2)頂板“高+低位”爆破后，對(duì)煤層上方近距離頂板巖層內(nèi)較高-較低層位形成爆破致裂破碎區(qū)域，該區(qū)域垂直范圍對(duì)應(yīng)于煤層上方10～50m，水平寬度8～25m，如圖6(b)所示，在末采期間對(duì)采動(dòng)高應(yīng)力傳遞路徑的實(shí)現(xiàn)提前阻斷。

頂板高位單孔爆破后，在末采期間對(duì)近距離頂板巖層內(nèi)較高層位的采動(dòng)高應(yīng)力傳遞路徑實(shí)現(xiàn)提前阻斷；頂板“高+低位”單孔爆破，在末采期間對(duì)近距離頂板巖層內(nèi)全部層位的采動(dòng)高應(yīng)力傳遞路徑實(shí)現(xiàn)提前阻斷，在爆破致裂、破碎尺度方面的優(yōu)勢(shì)，成功避免了近距離全部巖層內(nèi)的致裂破碎盲區(qū)，達(dá)到了對(duì)主回撤通道在采動(dòng)影響方向的正面保護(hù)作用。

5.2 末采階段覆巖應(yīng)力等值線(xiàn)分布

1)頂板高位單孔爆破后，裝藥爆破段附近區(qū)域的應(yīng)力水平明顯降低，最低至5MPa，該區(qū)域水平寬度約13m左右、垂直高度26～40m，與破碎區(qū)范圍相對(duì)應(yīng)；爆破破碎區(qū)域的應(yīng)力等值線(xiàn)水平明顯降低，爆破孔橫向應(yīng)力變化梯度介于2.05～2.27MPa/m，縱向應(yīng)力變化梯度介于1.6MPa/m左右，如圖7(a)所示。形成對(duì)煤層上方30～40m范圍的高位頂板巖層內(nèi)的高應(yīng)力傳遞路徑的阻斷作用，一定程度上對(duì)主回撤通道形成保護(hù)作用。

圖7 回撤通道末采階段覆巖應(yīng)力等值線(xiàn)

2)頂板“高+低”位爆破后，裝藥爆破段附近區(qū)域的應(yīng)力水平大幅度降低，最低至0MPa，中心局部形成“零應(yīng)力”區(qū)域，該區(qū)域水平寬度約10～15m左右、垂直高度22～32m，對(duì)應(yīng)于破碎區(qū)域。爆破破碎區(qū)域的應(yīng)力等值線(xiàn)水平大幅度降低，爆破孔橫向應(yīng)力變化梯度介于1.25～1.4MPa/m，縱向應(yīng)力變化梯度Δσ介于0.89～1.0MPa/m，如圖7(b)所示。形成對(duì)煤層上方10～45m范圍的高位頂板巖層內(nèi)的高應(yīng)力傳遞路徑的阻斷作用，對(duì)主回撤通道形成正面保護(hù)作用。

頂板“高+低位”單孔爆破后，致裂破碎區(qū)域應(yīng)力變化梯度明顯降低，橫向應(yīng)力變化梯度降低近40%，縱向應(yīng)力變化梯度降低37.5%，據(jù)此斷定：“高+低位”爆破孔一次起爆產(chǎn)生的爆破應(yīng)力波疊加，促進(jìn)了對(duì)頂板巖石的致裂、破碎和粉碎作用，使得爆破區(qū)域的塊體破碎更充分，增強(qiáng)了致爆破裂破碎區(qū)域的阻斷應(yīng)力傳遞功能。

5.3 末采階段回撤通道煤體應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

頂板“高+低”位爆破和頂板單孔高位爆破后，主回撤通道應(yīng)力變化差異較大。實(shí)施頂板“高+低”位爆破后，主回撤通道171#、172#煤體應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值基本平穩(wěn)，最大監(jiān)測(cè)應(yīng)力值7.2MPa，通道內(nèi)其余應(yīng)力計(jì)均無(wú)預(yù)警；實(shí)施頂板單孔高位爆破后，末采階段主回撤通道未出現(xiàn)紅色預(yù)警，但出現(xiàn)兩處黃色預(yù)警，104#、106#煤體應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)值分別升高至10.7MPa、12.7MPa，如圖8所示。

“高+低位”爆破形成對(duì)覆巖10～50m范圍的高位頂板巖層內(nèi)的高應(yīng)力傳遞路徑的阻斷作用，對(duì)主回撤通道形成近距離全層位的正面保護(hù)作用，沒(méi)有出現(xiàn)致裂破碎盲區(qū)；高位單孔爆破對(duì)煤層上方30～40m范圍的高位頂板巖層內(nèi)的高應(yīng)力傳遞路徑的阻斷作用，一定程度上對(duì)主回撤通道形成保護(hù)作用，但在近距離巖層較低層位10～20m形成致裂破碎盲區(qū)，這是造成兩處黃色預(yù)警的重要因素。

5.4 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果

31103-2較之于31120末采階段(距離回采貫通40m范圍)，微震事件總頻次降低30%，釋放總能量降低35%，未出現(xiàn)104及以上事件，見(jiàn)表3。頂板“高+低”位爆破提前消除了頂板巖層彈性能量聚積的條件，并降低了強(qiáng)動(dòng)載沖擊因素。

圖8 主回撤通道末采階段應(yīng)力計(jì)變化

表3 末采階段微震監(jiān)測(cè)對(duì)比(KJ551)

6 結(jié) 論

1)頂板爆破技術(shù)具有爆破致裂破碎尺度方面優(yōu)勢(shì)，提前消除采動(dòng)高應(yīng)力傳遞路徑，避免了致裂破碎盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主回撤通道的全方位、無(wú)死角的正面保護(hù)作用；

2)頂板爆破技術(shù)具有爆破致裂、破碎方面優(yōu)勢(shì)，應(yīng)力梯度大幅度降低，所形成的爆破致裂破碎區(qū)域?qū)?yīng)力傳遞的阻斷功能更強(qiáng)。

3)爆破后上覆巖層內(nèi)高應(yīng)力傳遞路徑的調(diào)整，還需進(jìn)一步實(shí)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳遞路徑的精準(zhǔn)阻斷。