东滩煤矿63 上06 工作面顶板深孔爆破断顶卸压技术应用

张恒军，王 磊，曾柯植

（兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 邹城273500）

1 工作面概况

63 上06 综采工作面位于东滩煤矿南翼六采区中部，北邻63 上05 工作面（采空区），南邻63 上07工作面（未开采）。工作面的两顺槽相互平行，北侧的顺槽作为轨顺，轨顺巷中与63 上05 运顺巷中间距9.5m 布置，南侧的顺槽作为运顺，运顺与轨顺巷中间距265.0m 布置；切眼运顺端头位于风氧化带边缘，轨顺侧较运顺侧向西调斜30m；设计停采线暂定轨顺侧与63 上05 工作面停采线平齐（位于运顺联巷中交点以西20m），运顺侧较轨顺侧向东调斜20m。轨顺长1 456.0 m，运顺长1 489.0 m，工作面总面积338 916.0m2。工作面标高：-605.0～-668.4 m/-636.7m；地面标高：+48.63～+51.51/+50.07m；埋深：653.63～719.91m。

图1 63 上06 工作面平面位置示意图

2 地质概况

工作面回采山西组3 上煤层。3 上煤，黑色，玻璃光泽，阶梯状断口，条带状结构, 内生裂隙发育；煤层结构复杂，底板之上1.80～2.30m 处发育一层厚0.02～0.03m 的泥质粉砂岩夹矸，沉积稳定，为重要回采标志层。

3 上煤层厚度0.50～5.40m，平均5.20m，工作面西南部3 上煤被不同程度风化剥蚀，剥蚀区3 上煤层厚度0.50～5.10m，平均3.4m，对回采影响较小；煤层倾角西部较大，切眼处最大倾角达14°，东部较为平缓，整体平均倾角约4°。63 上06 工作面直接顶为泥岩粉砂岩，厚0～5.73m，平均2.58m，基本顶为中砂岩，厚5.49～40.30m，平均27.89m。

表1 煤层顶底板状况表

3 63 上06 工作面冲击危险性评价结果

东滩煤矿前期已委托辽宁工程技术大学对63上06 工作面采掘期间冲击危险性进行了评价，得到以下结论：

1）63 上06 工作面冲击地压影响因素。63 上06工作面冲击地压危险的主要地质因素包括：①煤层埋深；②煤岩物理性质；③地质构造及煤层赋存条件变化；④上覆岩层结构特征。主要开采因素包括：相邻采空区；煤柱。

2）根据综合指数法，63 上06 工作面采掘期间的冲击地压危险性指数均为Wt = 0.5，冲击地压危险状态等级为弱冲击危险性；工作面回采期间冲击危险综合指数为0.62，为中等冲击危险，同时工作面的最大采深已经超过发生冲击地压的临界采深，具备了能够发生冲击地压的应力条件。

4 63 上06 工作面顺槽顶板爆破的必要性

从工作面位置关系上，63 上06 工作面北邻63上05 工作面采空区，南邻63 上07 工作面（未布置），属于单侧临空。工作面设计轨顺巷中与63 上05 运顺巷中间距9.5m 布置，在开采的过程中煤柱会有较大的应力集中。同时，从63 上06 工作面煤层及顶底板情况可以看出，工作面老顶为厚5.49～40.30 m，平均27.89 m 的坚硬中砂岩，且3 上煤层顶板的冲击倾向性均为弱冲击倾向性，随着工作面的开采老顶会逐渐弯曲、破断，破断过程中极大可能产生大能量事件（E＞105 J）。工作面内存在褶皱、断层的影响，这些因素增加了局部应力集中，大大增加了发生冲击地压的可能性。因此，为了保证工作面的安全开采，降低矿震大能量事件的概率，东滩煤矿进行63 上06 工作面的爆破断顶技术研究是非常必要的。

5 顶板深孔爆破的目的

根据63 上06 工作面综合柱状图，结合钻孔资料分析，3 上煤上方的基本顶中砂岩平均厚27.89m，由于工作面边缘处基本顶形成悬梁，未充分垮落，因此，决定对63 上06 工作面轨顺进行顶板深孔卸压爆破，从而降低冲击地压风险，并减小区段煤柱的应力集中。同时为后期63 上06 工作面回采后，避免采空区和63 上07 边缘基本顶形成悬梁，使顶板充分垮落，提前在63 上06 运顺进行顶板深孔卸压爆破。

6 研究内容

1）深孔断顶爆破技术参数。基于煤岩层综合柱状图，利用矿山压力、岩石力学、爆炸力学以及损伤力学等理论，计算63 上06 工作面深孔断顶爆破的合理技术参数。

2）深孔断顶爆破的工业性试验。针对63 上06工作面特殊的煤岩层条件、工作面位置特点，研究顶板深孔爆破的工艺，制定现场的实施方案，并在选定区域开展工业性试验。

3）深孔断顶爆破的效果考察。通过现场钻屑量、钻孔应力在线、钻孔窥视以及微震数据监测，分析顶板深孔爆破前后的各参量变化（侧重考查大能量矿震事件），从而判断上覆顶板岩层的破断状态，并对爆破效果进行评价。在此基础上，必要时对爆破参数进行进一步优化。

4）深孔断顶爆破的现场大范围实施以及技术总结。基于优化后的爆破参数，在63 上06 工作面顺槽区域开展断顶爆破，降低大能量矿震事件的概率，保证东滩煤矿63 上06 工作面的安全生产。

7 顶板深孔爆破参数

1）炮眼深度。63 上06 工作面轨道顺槽内直接顶厚度为0～5.73 m， 加上老顶厚度后达到5.49～46.03 m，平均厚度为30.47 m，因此，为了达到降低矿震/冲击地压的危险性目的，设计轨道顺槽爆破高度为30 m，倾角为75°。

2）炮眼间距。为了确保爆破后巷道的支护效果，尽可能达到降低顶板垮落步距的目的。同时，针对63 上06 工作面轨道顺槽顶板进行深孔爆破的目的是对临近63 上05 采空侧上覆坚硬顶板进行预裂，从而促进采空侧顶板的垮落，另外，考虑到爆破后巷道的支护效果，实际爆破效果应避免造成爆破裂缝的贯通，可将炮眼间距按照贯通裂隙所需间距（3.2 mm）的3～4 倍进行设计，因此，设计爆破孔间距设置为10 m。

3）参数确定。63 上06 工作面顺槽内直接顶厚度 为 0～5.73m，加上基本顶厚度后达到5.49～46.03m，平均厚度为30.47m，因此，设计顺槽爆破高度为30m（垂高）。轨顺钻孔布置在不采帮距肩窝1.0～2.0m 位置顶板处，眼孔顺巷道方向朝向63 上06 工作面采空区75°角度开孔；运顺钻孔布置在不采帮距肩窝0.5～1.0m 位置顶板处，眼孔朝向63 上06 工作面（采侧）75°角度开孔。采用单排钻孔，钻孔间距10m，孔深31m。

注：钻孔深度根据基本顶中砂岩确定，倾向深度为31m，钻孔见煤时停止钻进。

图2 爆破孔布置示意图

表2 顶板深孔爆破卸压参数表

8 效果检验

63 上06 工作面卸压爆破之后，及时对卸压效果作出检验和评估。综合检验的方法包括以下3 种：

8.1 应力在线监测系统

应力在线监测系统可以通过应力计应力的变化情况进行卸压效果检验。监测系统自动读取压力数据，并实时传输到地面控制室。也可以采用数据处理软件处理各应力计的数据，作为评价应力集中程度的依据。

通过卸压爆破前后钻孔应力值的变化，爆破后钻孔应力值明显降低，说明卸压爆破取得了明显的效果。

8.2 微震监测系统检验

微震监测系统是一种井下区域监测预测方法，主要是根据震动释放的能量，震动中心的位置，震动波形图等确定和分析矿山震动进一步发展的趋势，从而对可能发生的冲击危险进行预测，记录矿震的地震图，确定已发生的震动参数。

顶板爆破区域大能量事件明显减少，主要以小能量震源为主，说明卸压爆破取得了明显的效果。

8.3 顶板钻孔窥视仪检验

顶板钻孔窥视仪是用于检测巷道顶板离层及工作面顶板岩层爆破后不同位置裂隙的发育程度的监测方法，可以通过显示器显示出来。

图3 爆破钻孔相邻孔中的裂隙分布

1）本次采用窥镜观测对爆破效果进行验证，通过爆破后对观测钻孔进行对比分析，可清晰看出爆破后观测钻孔出现裂隙，说明距爆破孔5m 范围内岩层爆破后能够出现岩层破裂，采用10m 间距布置爆破钻孔满足断顶要求。

2）通过对验证孔爆破后的观测看出，爆破后孔内岩壁裂隙范围明显扩大，在钻孔表面有许多裂缝，裂隙倾向于轴向/竖直发育，能够对顶板进行有效切割。

3）爆破前，孔内裂隙存在于7～10m 和19～23m 2 个区段，爆破后，裂隙扩展为6.82～7.15m，15.36～21.98m，在28.77m 处增加了一段裂隙，基本顶内部的一些原生裂隙扩大，且局部裂隙贯通，较好的起到断裂顶板作用。

经采用窥镜进行观测，63 上06 轨顺采用深孔预裂爆破能够起到切割顶板，为相邻采空区悬臂梁及时垮落创造条件，起到降低本工作面侧向支撑压力作用。但具体效果需要从下一步工作面进入爆破区域后，围岩体变形缩量、沿空侧支架载荷、侧向支撑压力等监测数据进行分析。

9 结 论

1）63 上06 工作面超前对两顺槽冲击地压危险区域进行了顶板深孔爆破卸压施工，防冲治理工作的提前开展保证了生产的连续，生产过程中，防冲工作未影响工作面正常推进，创造了良好的经济效益。

2）实现了工作面安全回采，消除了防冲薄弱环节，避免了工作面应力集中情况下生产，保证了现场施工人员安全。