郭屯煤矿冲击地压危险区顶板预裂爆破卸压技术研究_王万里.pdf

1702023 年第 5 期收稿日期 2022-11-07作者简介 王万里（1987），男，山东宁阳人，2010 年毕业于山东科技大学煤矿开采技术专业，本科，工程师，现在临沂矿业集团菏泽煤电有限公司郭屯煤矿从事技术工作。王万里等：郭屯煤矿冲击地压危险区顶板预裂爆破卸压技术研究 王万里等：郭屯煤矿冲击地压危险区顶板预裂爆破卸压技术研究郭屯煤矿冲击地压危险区顶板预裂爆破卸压技术研究 王万里1 王均明2（1.临沂矿业集团菏泽煤电有限公司郭屯煤矿，山东 菏泽 250014；2.内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016200）摘 要 基于郭屯煤矿 2306 工作面的工程地质条件，对该区域冲击危险性进行分析评价，结果显示煤层开采深度大、煤层上覆盖厚硬顶板、工作面揭露断层等因素增大了形成冲击地压的风险，该区域具有中等冲击危险性。为预防冲击地压的产生，提出顶板预裂爆破技术对顶板进行卸压，设计顶板预裂爆破方案。现场方案实施后支架前方压力明显降低，卸压效果较好。关键词 冲击地压；预裂爆破；厚硬顶板中图分类号 TD324+.2 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.055Research on Presplitting Blasting and Pressure Relieving Technology for Roof in the Risk Zone of Rock Burst Mine Pressure in Guotun Coal MineWang Wanli1 Wang Junming2(1.Guotun Coal Mine of Heze Coal Electricity Co.,Ltd.of Linyi Mining Industry Group,Shandong Heze 250014;2.Inner Mongolia Shanghaimiao Mining Industry Co.,Ltd.,Inner Mongolia Ordos 016200)Abstract:Based on the engineering geological conditions of the 2306 working face of Guotun Coal Mine,the risk of rock burst in this area is analyzed and evaluated.The results showed that factors such as coal seam deep mining,thick and hard roof covering on the coal seam,and exposed faults on the working face increased the risk of rock burst mine pressure formation.This area has a moderate risk of rock burst.To prevent the occurrence of rock burst mine pressure,a roof presplitting blasting technology is proposed to relieve the pressure on the roof,and a roof presplitting blasting scheme is designed.After the implementation of the on-site plan,the pressure in front of the support significantly decreased,and the pressure relief effect was good.Key words:rock burst;presplitting blasting;thick and hard roof煤矿进入深部开采后，复杂地质条件、开采条件的矿井，冲击地压形成的概率越来越高1-6。本文基于郭屯煤矿 2306 工作面的工程地质条件，对冲击地压的防治技术进行研究。1 工程概况2306 工作面位于郭屯煤矿二采区，平均埋深800 m，工作面东侧为 4302、4303、4305 工作面采空区，西侧以及南侧为实体煤层，北侧为 1307 采空区。主采煤层为 3下煤，煤层走向 185 197，倾角平均 5；煤层赋存稳定，结构简单，煤层平均厚度约 2.9 m；顶板以粗、中砂岩为主，底板以泥岩、细砂岩为主。工作面煤层顶底板岩性如图 1。本工作面实际揭露断层共 6 条，落差 05 m 断层共3 条，510 m 断层共 3 条，其中 DF2 断层横穿工作面，对工作面回采影响较大。轨顺揭露的 DF4 断层、DF55 断层、2306-3 断层，胶顺揭露 2306-4 断层，2306 探巷 DF4 断层对工作面回采有一定的影响。2 冲击危险性影响因素及评价1）煤层埋深冲击地压发生的根本原因是强度较高的煤（岩）1712023 年第 5 期 王万里等：郭屯煤矿冲击地压危险区顶板预裂爆破卸压技术研究 王万里等：郭屯煤矿冲击地压危险区顶板预裂爆破卸压技术研究层在采掘活动的影响下形成应力集中并积累储存大量弹性能。而根据自重应力的分布规律可知，煤层埋深越大，煤岩体承受上覆载荷越大，煤岩体内部应力集中和弹性能积聚程度就越大，因此煤岩体冲击危险性更高。研究表明，当埋深大于 500 m 时，随着开采深度的增加，冲击地压的危险性急剧增加7。而 2306 工作面平均埋深 800 m，大于冲击地压产生的临界深度。2）煤的冲击倾向性煤的冲击倾向性指的是煤体具有的积聚变形能并产生冲击破坏的性质。依据此项指标可以评定煤体发生冲击破坏的能力，根据相关试验研究，可根据煤样试件单轴抗压强度将煤层冲击倾向性进行分类：弱冲击倾向性 RC 16 MPa，强冲击倾向性 RC16 MPa。对 2306 工作面煤岩试样力学性质测试可知，其单轴抗压强度 RC=4.52 MPa 16 MPa，即可推测 2306 工作面的煤层属弱冲击倾向。3）顶板条件顶板特性是影响冲击地压的重要因素之一。坚硬、厚度较大、完整性好的顶板条件极易诱发冲击地压。这主要是由于顶板积聚了大量弹性能，由于采掘影响，顶板失稳破断，会在短时间内释放大量弹性能，造成范围震动，引起冲击地压。并且在初次、周期来压期间，顶板活动剧烈，冲击危险性较大。该工作面煤层上方 30 m 范围内存在 20.98 m 厚中砂岩，容易引起大面积的悬顶，积聚弹性能。4）应力条件工作面前方形成的超前支承应力、相邻采空区侧向支承应力、断层等地质构造形成的构造应力以及煤柱应力等应力单一及叠加影响下，煤岩体的弹性能进一步积聚，发生冲击地压的可能性急剧增加。本工作面东侧为 4303、4305 工作面采空区且存在宽度约 29 m 断层煤柱，在采掘过程中存在采空区顶板冒落不充分、造成大面积悬顶风险，这些严重增大了冲击地压的风险。5）冲击危险性评价结果根据冲击危险性评价与防冲设计，2306 工作面采用综合指数法评价冲击地压危险状态等级为中等冲击危险性。工作面回采期间共划分 10 个冲击危险区，其中强冲击危险区 1 个（共计约 100 m），中等冲击危险区 4 个（共计约 905 m），弱冲击危险区 5 个（共计约 740 m），具体情况见表 1。图 1 煤层顶底板岩性图表 1 2306 工作面冲击危险影响区划分编号巷道位置距回采工作面距离（平距）/m主要影响因素危险程度12306 胶顺0255（255）自重应力、断层构造应力、煤柱应力、采空区侧向支承应力中等冲击22306 胶顺255355（100）自重应力、断层构造应力、煤柱应力、采空区侧向支承应力、巷道交叉强冲击32306 胶顺355545（190）自重应力、断层构造应力、煤柱应力、停采线超前支承应力中等冲击42306 胶顺545615（70）自重应力、断层构造应力弱冲击52306 胶顺615860（245）自重应力、断层构造应力、巷道交叉、工作面超前支承应力弱冲击62306 轨顺0100（100）自重应力、断层构造应力中等冲击72306 轨顺162226（64）自重应力、断层构造应力弱冲击82306 轨顺226586（360）自重应力、断层构造应力、停采线超前支承应力中等冲击92306 轨顺586741（155）自重应力、断层构造应力、巷道交叉弱冲击102306 探巷（206）自重应力、断层构造应力、工作面超前支承应力弱冲击1722023 年第 5 期3 顶板预裂爆破卸压技术2306 工作面采用综合指数法评价冲击地压危险状态等级为中等冲击危险性，为了预防冲击地压的产生，采用对 2306 工作面两顺槽进行顶板预裂爆破的技术对顶板进行卸压，从而降低顶板的能量积聚，避免诱发冲击地压灾害。1）2306 工作面顶板预裂范围在胶带顺槽邻空区域施工爆破断顶孔，因外段断层影响明显，断顶范围自超前 120 m 位置（超前支护外）开始向外延伸至 2306-4 断层（H=3.5 m）。采取走向和倾向断顶。轨道顺槽在揭露2306-1（H=7.5 m 65）断层和 2306-2（H=5.7 m 40）断层前后 30 m（具体位置可根据现场情况调整）各施工两个走向爆破钻孔。爆破断顶位置如图 2。图 2 爆破断顶位置示意图2）2306 工作面顶板预裂工艺及参数 爆破钻孔施工位置及参数走向爆破断顶钻孔沿巷道走向方向布置，倾向爆破断顶钻孔沿工作面倾斜方向布置。走向钻孔位于顺槽距离煤柱帮煤壁 12.0 m 的巷道顶板位置，钻孔走向平行于工作面走向。走向孔主要作用为切断工作面顶板与邻近煤柱顶板的联系，降低采空区侧向支承应力的影响，避免煤柱受到过高的采动应力影响。倾向孔在回采侧帮部肩窝处施工，钻孔方位垂直煤壁，每组 3 个钻孔，钻孔的间距不大于 1 m。爆破钻孔施工技术参数走向孔：钻孔向采空侧倾斜，钻孔走向与工作面走向成一定夹角；在沿空侧顶板施工走向孔 1 个，每孔间距15 m，与水平面夹角85，钻孔深度21 m。倾向孔：扇形布置钻孔，排间距 15 m，每排 3 个钻孔，钻孔直径 75 mm。每排钻孔参数分别为：仰角 50，孔深 27 m；仰角 65，孔深 23 m；仰角75，孔深 22 m。走向孔与倾向孔交错布置，每组相邻的走向钻孔和倾向钻孔间距 78 m。图 3 为爆破钻孔参数示意图。（a）走向钻孔剖面图（b）倾向钻孔剖面图图 3 爆破钻孔参数示意图（m）爆破施工工艺及装药结构参数施工工艺：准备钻机施工钻孔装药定炮爆破断顶孔封孔爆破。装药及爆破工艺：施工爆破断顶孔，确保孔内无堵塞准备炸药、雷管等材料及专用工具定炮、安装雷管，固定爆破引线将炸药依次送入孔底填入封孔囊袋，囊袋内注入封孔材料，将炮眼封实封孔剂凝固连线、起爆。装药结构：单孔采用正向装药结构。采用正向起爆的方法，根据装药长度，依次将一定数量的药柱装入爆破孔中，前后药柱采用公母螺纹连接方式依次连接。装药参数：炸药使用煤矿许用瓦斯抽采水胶药柱，药柱外径（631）mm，药柱长度（100010）mm；雷管使用煤矿许用毫秒延期电雷管；钻孔封孔使用 FKSJ-80/0.5-15 m 封孔囊袋配合灌注封孔剂进行封孔；推送装置采用矿用双抗聚氯乙烯管63.5 mm（5 mm），使用长度根据具体装药长度及孔深确定；爆破引线采用煤矿防爆型电话线缆。实际装药长度不少于 10 m；起爆采用同段位毫秒延期电雷管，每个钻孔内在炸药底部安装 2 发雷1732023 年第 5 期 王万里等：郭屯煤矿冲击地压危险区顶板预裂爆破卸压技术研究 王万里等：郭屯煤矿冲击地压危险区顶板预裂爆破卸压技术研究管；囊袋封孔长度不少于 10 m。起爆使用 FD150-200T 型发爆器起爆，孔内雷管采用并联连接，多孔时采用孔间串联、孔内并联装药结构。使用锚索芯钢筋将水胶药柱被筒两壁穿透作为防滑装置，成“一”字型，每 1 m 做 1 处防滑装置，防止炸药脱落。雷管与爆破引线连接部位要用绝缘胶布密封好。预裂爆破装药参数见表 2，装药结构如图 4。表 2 2306 工作面爆破参数及说明表参数走向孔倾向孔顺槽顺槽实体煤侧1#2#3#4#钻孔总长度/m21222327仰角/（）85756550装药段长度/m10101113封孔段长度/m11121214钻孔直径/mm75757575装药要求装药线密度不小于 2 kg/m，装药不耦合系数不大于 1.3爆破方式正向装药一次起爆炸药型号水胶炸药：装药管外径（631）mm；装药管长度（100010）mm；主装药密度 0.901.25 g/cm31.毫秒延期电雷管；2.水胶炸药柱；3.雷管脚线；4.封孔囊袋、封孔剂；5.防滑倒刺图 4 装药结构图3）2306 工作面顶板预裂卸压效果2306 工作面采用两顺槽进行顶板预裂爆破的技术对顶板进行卸压，有效破坏该工作面煤层上方 30 m 范围平均 20.98 m 厚的中砂岩，有效防范了大面积的悬顶；破坏了坚硬、厚度较大、完整性好的顶板，有效防止顶板积聚大量弹性能，降低了顶板的能量积聚，避免顶板失稳性破断，防止了短时间内释放大量弹性能，有效避免诱发冲击地压灾害。4 结论1）本文基于 2306 工作面的生产地质条件，对该工作面区域冲击危险性进行分析，认为煤层开采深度达到冲击地压发生的临界值；该工作面煤层上方 30 m 范围内存在 20.98 m 厚中砂岩，容易引起大面积的悬顶，积聚弹性能；工作面揭露多条断层严重增大了冲击地压的风险。2）提出了采用顶板预裂爆破的技术对顶板进行卸压，预防冲击地压的产生，并根据现场情况设计了顶板预裂爆破方案，现场方案实施后支架前方的压力明显降低，显示卸压效果较好。【参考文献】1 窦林名，周坤友，宋士康，等.煤矿冲击地压机理、监测预警及防控技术研究J.工程地质学报，2021，29（04）：917-932.2 窦林名，阚吉亮，李许伟，等.断顶爆破防治冲击地压技术体系及效果评价研究 J.煤炭科学技术，2020，48（01）：24-32.3 何江，窦林名，王崧玮，等.坚硬顶板诱发冲击地压机理及类型研究 J.采矿与安全工程学报，2017，34（06）：1122-1127.4 张德飞，张庆林，赵卫东，等.华丰煤矿冲击地压分析与防治措施 J.煤炭科学技术，2020，48（S2）：111-117.5 赵猛，张晓明，王楠，等.深部坚硬顶板厚煤层开采冲击地压规律及防治技术 J.煤矿安全，2020，51（01）：89-93.6 窦林名，王盛川，巩思园，等.冲击地压风险智能判识与监测预警云平台 J.煤炭学报，2020，45（06）：2248-2255.7 周澎.特厚煤层综放开采冲击地压防治技术与实践 J.煤炭科学技术，2011，39（04）：35-39.（上接第 169 页）研究 J.山东煤炭科技，2022，40（08）：20-22.3 聂飞.水力压裂切顶卸压技术在南庄煤矿应用与实践 J.山东煤炭科技，2022，40（07）：47-49.4 王进海.米山煤业 15103 工作面水力压裂坚硬顶板技术研究 J.山东煤炭科技，2022，40（07）：64-66+69.5 吴拥政.回采工作面双巷布置留巷定向水力压裂卸压机理研究及应用 D.北京：煤炭科学研究总院，2018.6 王海洋.复合坚硬顶板变形破断特征及对矿压显现的影响规律 D.重庆：重庆大学，2017.