急倾斜特厚煤层间岩柱地面深孔爆破预裂试验及效果研究

曹民远

（神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830027）

1 概述

乌东煤矿南采区位于八道湾向斜南翼，基本构造呈向南倾斜的单斜构造，地层倾角87°，现主采B1+2和B3+6两组煤，B1+2煤层平均厚度37.45 m，B3+6煤层平均厚度48.87 m，为近直立特厚煤层。在B1+2和B3+6煤层之间赋存53～110m 厚的岩柱，岩柱由西向东逐渐变薄，整体以粉砂岩为主。乌东煤矿南采区采用垂直分段综采放顶煤采煤工艺进行回采，现已回采至+500 m 水平，工作面埋深约350m。

乌东煤矿前期浅部开采时，巷道压力显现并不明显，但是随着开采深度的不断增加和开采强度的进一步增大，巷道出现顶沉、帮鼓和底鼓等变形破坏现象，尤其是巷道底鼓问题严重，巷道维护困难。B3+6煤层回采至+500m 水平后，冲击地压等动力现象开始显现，先后在+500m 水平B3+6综采面和五一煤矿边界煤柱区域 （以下简称高阶段煤柱区域）发生2次冲击地压显现事件，造成串车掉道等冲击破坏事故。随着开采进一步向下延伸巷道变形破坏和冲击动力现象呈现逐渐加重的趋势。

2 乌东煤矿南采区冲击地压原因分析

在第一次冲击地压动力现象发生后，乌东煤矿南采区先后引进了多种监测系统，形成了覆盖地面至+400 m 水平全方位的立体化冲击地压监控体系。对微震、地音、电磁辐射等监测数据统计分析结果表明，B2-B3煤层间的岩柱是造成应力集中的主要原因，回采期间微震事件频繁发生，乌东煤矿南采区微震事件分布如图1所示。乌东煤矿南采区冲击地压发生原因为两侧采空的岩柱体在自重和水平地应力作用下产生弯曲后对开采水平及以下的煤体产生撬动作用，使煤体产生应力及能量集中，在采掘活动和 （人工、自然）动载的扰动下发生冲击地压。

3 地面岩柱爆破卸压

乌东煤矿南采区近直立煤层冲击地压的防治虽然采取了一定的措施，但是效果并不明显，主要原因在于中间53～110m 宽的岩柱体，并不随煤层开采而断裂冒落，而是作为一个整体发生弯曲变形，在工作面或回采巷道采取的打钻爆破等局部解危措施仅起到小范围卸压作用，并不能大范围的释放岩柱体内因弯曲变形而聚集的弹性能，冲击危险仍然存在。因此采用地面深孔爆破方式对中间岩柱体进行预裂处理，降低其完整性和应力集中，减小岩体内弹性能的聚集，进行冲击地压的治理。

图1 乌东煤矿南采区微震事件分布

3.1 地面岩柱爆破卸压原理

地面深孔爆破能够在岩体内产生爆轰压力和振动作用，在一定的振动频率和应力作用范围内，煤岩体内部结构发生变化。在地面沿岩柱倾向方向深孔松动爆破卸压措施可以沿岩柱倾向方向形成一道裂隙带，在岩柱倾向方向形成一道薄弱环节，破坏岩柱的整体性，切断岩柱应力传播渠道，从而破坏发生冲击地压的强度条件和能量条件，减少岩体内应力集中和弹性能的积聚，达到防治冲击地压的目的。

3.2 地面深孔爆破参数

为实现对岩柱进行松动爆破，破坏岩柱的整体性，尽可能降低岩柱自重影响弯曲变形对开采水平及以下水平掘进工作面的撬动作用，在进行爆破前，需要对爆破孔位置、爆破孔直径、炮眼间距等进行设计。

3.2.1 爆破孔位置

B3+6煤层距分段石门1380～1420 m，是原大洪沟矿与原五一煤矿边界煤柱，前期探测结果表明，该区域煤柱完整性较好，采掘工作面接近该区域时出现明显应力集中现象，采掘工作面在该区域附近作业时出现多次强冲击地压显现，为彻底弱化高阶段岩柱对回采工作的影响，本次地面预裂爆破孔设置在地面沿B2-B3岩柱倾向方向，距离石门1400m 处，爆破孔布置如图2所示。

图2 地面岩柱爆破孔布置平立面图

3.2.2 爆破孔直径

采用深孔爆破弱化岩柱，应选择适合的炮孔直径。当炮孔直径较小时，装药比较困难，而且爆破影响范围与炮孔爆破直径成正比关系，炮孔孔径小爆破效果较差，但当炮孔直径太大时，经济投入较大，而且增加了施工难度。因此，深孔爆破弱化顶底板炮孔直经不能太大也不能太小，兼顾爆破效果和现场实际，确定深孔爆破炮孔直径为ø300mm。

3.2.3 爆破孔深度

为避免地面深孔爆破对+500m 水平回采工作面和回采巷道的影响，并且起到较好的爆破效果，应对爆破深度进行合理的设置。根据萨道夫斯基振动速度公式：

式中：R——爆破振动允许距离，m；

Q——指最大单段药量，本次试验工程设计每孔两段装药，最大一段单响药量为5760kg；

v——安全质点振动速度，根据 《爆破安全规程》对永久性岩石高边坡安全允许质点振动速度取最小值5.0cm／s；

m——药量指数，取1／3；

k，∂——与爆破地点地形、地质条件有关的系数和衰减指数，B2-B3岩柱岩石主要由炭质泥岩和砂岩构成，属于软岩石，根据 《爆破安全规程》得k=270；∂=3.0。

将各数据代入式 （1），计算得爆破孔向下影响范围为67.7m，为确保+500 m 水平综采工作面巷道不受爆破影响，调高了安全系数，按照100m安全距离计算，则爆破孔设计深度为250m，地面标高为+850m 水平，因此孔底标高为+600m 水平。

3.2.4 爆破孔排距

根据炸药松动岩石半径公式：

式中：R——爆破松动半径；

K——根据岩性取值，取1。

将各数据代入式 （2），计算得爆破松动半径为17.9m。由于本次对岩柱爆破为首次爆破，为增加爆破松动效果，本次爆破排距设计为7m，孔间距为10 m，共布置两排每排两个炮孔，炮孔成“三花孔”布置。

3.2.5 装药设计

本次爆破工程每孔分两段装药，两段炸药中间采用木头、细沙充填，每段装药量5760kg。第一段装药时先装入一定药量，保证孔壁上的浮渣被清理干净，然后开始正常装药，第一段装药控制在60m，每米装药量96kg，共计装药5760kg，该段装药充填采用直径为200mm 的圆木，其长度取0.3m，在充填时，保证圆木底部距离炸药上表面4m，留给炸药合理的爆轰空间，将圆木用钢丝在地面固定，圆木上充填10m 细沙，然后开始第二段装药。起爆药包由100mm 的皮管保护，用胶带缠好固定在电缆上和钢丝绳上，每一段装两组起爆药包，每组两个药包，药包采用延期电雷管引爆，从而引爆炸药，每个药包起爆能力为2t乳化炸药，每组药包间距为15m。

4 爆破卸压效果检验

为有效对地面深孔爆破卸压进行效果评价，采用布置在+500m 水平的ARAMIS M／E 微震监测系统微震事件频次和时空分布进行对比分析，同时采用PASAT-M 探测系统对爆破前后+500m 水平岩柱应力分布平面云图进行对比，综合评价地面深孔爆破效果。

4.1 微震监测评价

图3 地面爆破前3d微震事件分布

爆破前3d共监测微震事件206次，微震事件主要分布在+500m 水平工作面前方250m 范围的顶底板岩层以及采空区后方200 m 范围的顶底板岩层中，竖直分布主要集中在低位岩层，即+475～+525m 水平之间采掘空间；同时，一部分微震事件分布在竖直范围为+550～+650 m 水平之间的高阶段煤体内。大能量事件 （＞105J，图中深色球）产生主要集中在低位岩层，即+475～+525m之间。如图3所示。

地面深孔爆破后3d共监测微震事件162次，微震事件平面位置主要分布在回采工作面附近，微震事件平面分布未发生明显变化；竖直方向上微震事件在低位岩层分布变化不大，仍处在+475～+525m 水平的采掘活动空间内，而微震事件在高位岩层的分布变化较大，集中区域由+550～+650m 之间变化为+650～+750 m 水平之间；大能量事件产生主要集中在低位岩层，即+475～+525m 之间，高位岩层也出现大能量事件，但距离采掘面工作面较远。

地面深孔爆破后，微震监测结果具有以下几点变化：

（1）微震频次和能量明显降低。爆破前根据以往监测结果表明，微震事件发生较多，尤其是当工作面推进至高阶段煤柱附近区域时，微震事件更为集中和频繁，采掘水平和高阶段煤柱附近区域微震次数均有增加。爆破后+500m 回采水平仍有微震事件发生，但是频次明显减少，属于开采扰动后应力正常释放，高阶段煤柱附近几乎没有微震事件发生，覆岩释放的能量和频次明显降低，能量降低近2倍，微震事件次数由206次减少到160次，各能量等级的微震事件发生频次均降低，且高能量等级的频次降低幅度最大，说明高阶段煤柱和煤层间岩柱体内应力得到充分释放；

表1 地面爆破前后微震事件对比

（2）高位岩层+650～+750 m 范围开始活动。地面爆破前，岩层活动的高度在+550m 水平以下，微震事件主要分布在工作面顶底板岩层和高阶段煤柱以及附近岩层内，深孔爆破后3d 内微震监测结果表明，高阶段煤柱微震事件发生次数明显减少，而+650～+750 m 范围内的岩柱体开始出现微震且有大能量事件的发生，说明在爆破冲击作用下，引起高位岩层活动，上方岩柱体为整体强度被弱化，开始产生裂缝并发生破断坍塌，产生微震事件。深孔爆破前后微震事件频次和能量分布如表1和图4所示。

图4 地面爆破前后3d微震事件对比分布

4.2 PASAT-M 探测

通过对B2-B3煤层间岩柱爆破前后PASATM 探测，地面爆破前，岩柱应力集中影响区域范围较大，应力集中程度较高；地面爆破后，岩柱高应力集中影响范围及应力集中程度明显降低，且出现多个应力明显降低区域。测试区域岩柱平均波速由原来的3.8m／ms降为3.6 m／ms，岩柱应力整体上出现明显降低，可见地面深孔爆破使得岩柱应力集中区内弹性能量得到有效释放，降低矿井应力集中程度。

5 结论

（1）乌东煤矿南采区冲击地压发生的主要原因为两组煤采空区中间岩柱在自重和水平地应力作用下产生弯曲后对开采水平及以下的煤体产生撬动作用，在岩柱体底部和煤体中产生应力集中及弹性能的聚集，在巷道掘进和两回采工作面的动压扰动下发生冲击地压。

（2）微震监测结果表明：地面爆破后，微震事件频次和能量明显降低，事件频次降低34%，能量降低近2倍，且各能量等级的微震事件发生频次均降低，说明地面深孔爆破使得中间岩柱体弹性能得到了充分的释放，缓解了高阶段煤柱附近的应力集中，并且起到了弱化中间岩柱体的作用。

（3）PASAT-M 探测结果表明，岩柱的应力集中程度明显降低，应力集中区域明显减少，说明地面深孔爆破预裂试验效果明显，对于中间岩柱体起到了良好的卸压作用。

［1］ 钱鸣高，石平五，许家林 .矿山压力与岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2010

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