顶板深孔爆破防治6m小煤柱冲击地压的实践研究_李亚博.pdf

1672023 年第 2 期李亚博等：顶板深孔爆破防治 6 m 小煤柱冲击地压的实践研究李亚博等：顶板深孔爆破防治 6 m 小煤柱冲击地压的实践研究收稿日期 2022-07-26作者简介 李亚博（1980），男，山东菏泽人，2012 年毕业于山东科技大学采矿工程专业，本科，助理工程师，研究方向：煤矿防冲、掘进。李亚博等：顶板深孔爆破防治 6 m 小煤柱冲击地压的实践研究李亚博等：顶板深孔爆破防治 6 m 小煤柱冲击地压的实践研究顶板深孔爆破防治 6 m 小煤柱冲击地压的实践研究李亚博 冯 亮 朱 伟（枣庄矿业集团高庄煤业有限公司，山东 济宁 277605）摘 要 以高庄煤业 113上05 回风巷 6 m 小煤柱区域为对象，采用数值模拟、钻孔窥视等方法设计了顶板深孔爆破卸压方案。钻孔窥视及巷道变形监测结果表明：深孔爆破能有效地控制顶板的来压活动，深孔爆破卸压后巷道两帮变形量及顶板下沉量分别为 268 mm、77 mm，对比之前降低了 90%、88%，巷道变形控制效果理想。关键词 小煤柱；坚硬顶板；冲击地压；顶板；深孔爆破中图分类号 TD324+.2 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.058Practical Study on Prevention and Control of Rock Burst of 6 m Small Coal Pillar by Roof Deep Hole BlastingLi Yabo Feng Liang Zhu Wei(Zaozhuang Mining Industry Group Gaozhuang Coal Industry Co.,Ltd.,Shandong Jining 277605)Abstract:Taking the 6 m small coal pillar area of the 113upper05 return air roadway of Gaozhuang Coal Industry as the object,the pressure relief scheme of roof deep hole blasting is designed by means of numerical simulation and drilling peeping.The monitoring results of borehole peeping and roadway deformation show that deep hole blasting can effectively control the pressure activity of the roof.After pressure relief by deep hole blasting,the deformation of the two sides of the roadway and roof subsidence are 268 mm and 77 mm respectively,which are reduced by 90%and 88%respectively.The effect of roadway deformation control is ideal.Key words:small coal pillar;hard roof;rock burst;roof;deep hole blasting深孔爆破技术主要是利用炸药爆炸的能量作用，使煤层上方一定距离处的顶板岩层形成一定范围的破坏区和预裂发育区，在工作面推进过程中，再借助支承压力的作用，促使坚硬顶板及时垮落。以高庄煤业113上05回风巷6 m小煤柱区域为对象，采用数值模拟、理论分析、钻孔窥视等方法设计了顶板深孔爆破卸压方案，实践应用效果理想。1 工程概况山东能源枣矿集团高庄煤业位于滕南煤田西南部，属华北型煤田。井田南北长约 79 km，东西宽约 26 km，面积为 33 km2，采用立井多水平开拓方式，核定生产能力 320 万 t/a。主采石炭二叠系山西组第 3 层煤，分为上下两个分层，工作面回采过程中受不同程度的顶板砂岩水威胁。高庄煤业西七采区 113上05 回风巷主要开采 3上煤层，北部为正在回采的 113上01 工作面，西部为113上02 工作面采空区和 F36 断层火成岩侵入带，留设断层煤柱 50 m。113上05 回风巷设计长度 2340 m，巷道沿 3上煤层底板掘进，工作面标高-275.5-359.2 m。该面位于单斜构造，煤层倾角 4 17，平均 10，煤层产状稳定。煤层厚度最小 3.7 m，最大为 6.71 m，平均 5.0 m。煤层顶板为细粒砂岩、碳质泥岩、中砂岩，硬度较大。113上05 回风巷与113上01 采空区留设有 6 m 小煤柱。2 6 m 小煤柱侧应力状态模拟分析冲击地压发生的实质是应力集中导致煤岩体突然发生破坏，冲击地压的防治从本质上来讲是调整煤岩体的应力情况，使煤岩体处于稳定状态下。1682023 年第 2 期为有效制定冲击地压防治方案，采用 FLAC3D数值模拟软件对 113上05 回风巷顶板断裂前后应力分布状态及变化情况进行模拟试验。113上05 回风巷模拟区域及监测线布置如图 1。图 1 113上05 回风巷模拟区域及监测线布置图（m）应力分布状态模拟区域主要由113上01采空区、6 m 宽煤柱、113上05 回风巷、113上05 工作面等部分组成，监测线布置在超前 113上05 面 310 m 煤层底板中。模型几何范围为 800 m700 m81 m，模型上边界施加竖直均布载荷 12 MPa，两侧边界施加梯形压应力，下部边界固定。将 3上煤层及顶底板岩层力学性质参数输入数值模拟软件，运算平衡后，可得顶板断裂前监测线处垂直应力分布数据。结果显示：（1）113上01 面回采引发巷道围岩应力重新分布，侧向应力峰值出现在距 113上01 采空区边缘 12 m 位置，峰值为 48.24 MPa；（2）113上05 回风巷掘进后，小煤柱内应力峰值 17.15 MPa，侧向应力峰值 55.56 MPa，出现在距 113上01 采空区边缘 21 m 位置；（3）113上05 面回采后，拐角煤体内应力峰值 83.46 MPa，此时与拐角煤体距离 32 m 实体煤侧处应力仅为 38.27 MPa，两者应力差 45.19 MPa；（4）113上05 回风巷掘进与 113上05 面回采期间，小煤柱内应力峰值在 15.4320.33 MPa 之间。调整 113上01 采空区填充及岩层力学参数并输入数值模拟软件，运算平衡后，可得顶板断裂后113上05 面采掘期间监测线处应力分布数据。结果显示：（1）113上01 面回采引发巷道围岩应力重新分布，侧向应力峰值出现在距 113上01 采空区边缘10 m 位置，峰值为 37.65 MPa，对比顶板断裂前侧向应力峰值下降22.0%；（2）113上05回风巷掘进后，小煤柱内应力峰值 17.24 MPa，侧向应力峰值 37.26 MPa，出现在距 113上01 采空区边缘 25 m 位置，对比顶板断裂前侧向应力峰值下降 33.0%；（3）113上05 面回采后，拐角煤体内应力峰值 60.25 MPa，此时与拐角煤体距离 32 m 实体煤侧处应力仅为12.13 MPa，两者应力差 48.12 MPa；（4）113上05回风巷掘进与 113上05 面回采期间，小煤柱内应力峰值在 15.5620.28 MPa 之间。顶板断裂前后应力分布状态模拟结果显示：6 m 宽小煤柱在 113上05 回风巷掘进与 113上05 面回采扰动影响下，应力集中程度不高，113上01 采空区顶板断裂前，应力峰值在小煤柱中部，顶板断裂后小煤柱内应力向 113上01 采空区侧转移，降低其对 113上05 回风巷围岩应力影响；顶板断裂后小煤柱侧向应力峰值可降低 33.0%，侧向应力峰值位置向实体煤侧偏移 4 m，顶板断裂可有效改善 6 m 小煤柱区巷道围岩应力环境。综上所述，采用合适的技术手段，对 113上05回风巷顶板进行治理，可有效地对应力进行释放和转移，能实现113上05回风巷冲击地压的有效防治。3 小煤柱侧顶板深孔爆破治理冲击地压方案设计3.1 顶板深孔爆破治理冲击地压方案选择在 113上05 回风巷煤柱侧巷道顶板施工 1#5#共 5 个钻孔，采用 ZKXG100 矿用钻孔成像轨迹监测装置，可得到全断面裂隙窥视结果，用来掌握顶板初始裂隙发育状态，如图 2。图 2 113上05 回风巷顶板全断面裂隙窥视汇总图从图 2 可知，113上05 回风巷因受到 113上01 面回采影响，113上05回风巷上覆顶板全断面裂隙发育。裂隙发育一区处在 113上01 采空区正上方，主要表现为坍塌裂隙发育；裂隙发育二区处在 6 m 煤柱和113上05 回风巷正上方，主要表现为微裂隙发育；裂隙发育三区处在 5.28 m 砂质泥岩和 9.51 m 细粒砂岩中，主要表现为中裂隙发育；裂隙发育四区处在 2#窥视钻孔孔底位置的砂质泥岩区，主要表现为大裂隙发育；裂隙发育五区处在 9.16 m 细粒砂岩和5.28 m 砂质泥岩中，主要表现为少量微裂隙发育。1692023 年第 2 期李亚博等：顶板深孔爆破防治 6 m 小煤柱冲击地压的实践研究李亚博等：顶板深孔爆破防治 6 m 小煤柱冲击地压的实践研究综上所述，113上05 回风巷顶板中裂隙发育，且存在着较大裂隙，无法采用压裂技术进行卸压，故设计采用顶板深孔爆破技术对 113上05 回风巷煤柱侧顶板进行爆破卸压。3.2 深孔爆破参数设计分析顶板深孔爆破参数主要包括炮孔间距、炮孔直径、炮孔深度、封孔长度等，结合高庄煤业 113上05回风巷的实际情况，确定出合适的深孔爆破参数。3.2.1 爆破孔间距设计爆破孔施工采用 75 mm 双管单动金刚石钻头，配套二级煤矿许用乳化炸药，乳化炸药规格35 mm、装药长度 300 mm、质量 300 g。根据113上05 回风巷顶板煤岩力学参数测试数据，计算得到破碎区半径 429.08 mm、裂隙区半径 2 139.82 mm，为不形成新的应用集中，同时保证爆破卸压效果，基于 113上05 回风巷顶板现场实况，确定顶板深孔爆破孔间距为 7000 mm。3.2.2 装药量计算采用专用特制聚能药柱，连续装药，装药线密度为 1.9 kg/m3，装药长度 15 m，装药量 30 kg。3.3 爆破参数汇总钻孔深度 36 m，倾角 60，方位角 120，装药长度 15 m，封孔长度 20 m。二级煤矿许用乳化炸药，直径 35 mm，单卷长度 300 mm，质量 300 g，正向装药，单孔起爆。如图 3。图 3 113上05 回风巷顶板深孔爆破孔布置图4 卸压治理效果分析4.1 钻孔窥视效果分析距离爆破孔 6 m 顶板位置施工观测孔，观测孔倾角 60，深 40 m。采用 ZKXG100 矿用钻孔成像轨迹监测装置观测爆破前后裂隙发育情况。钻孔窥视结果表明：爆破后原有裂隙扩展、贯通，里侧形成的新裂隙尺寸大于爆破前裂隙尺寸；爆破后整体来看，孔内环状裂隙较为发育，孔隙间贯通效果理想。根据观测孔的效果分析，顶板深孔爆破孔间距为 7 m 较为合适。4.2 巷道变形监测分析应用“十字”布点法研究顶板深孔爆破后对113上05 回风巷变形的影响规律，如图 4。图 4 巷道围岩表面位移变化曲线图从图4可知，爆破后沿空侧帮部、实体煤侧帮部、两帮变形量为别为 156 mm、112 mm、268 mm，爆破前两帮最大变形量为 1950 mm，爆破后两帮最大变形量降低了 90%；爆破后顶板下沉量 77 mm，爆破前顶板下沉量 650 mm，爆破后顶板下沉量降低88%。整体来讲，113上05 回风巷顶板实施深孔爆破后，巷道变形控制效果理想。5 结论以高庄煤业 113上05 回风巷 6 m 小煤柱区域为对象，进行了顶板深孔爆破卸压防治冲击地压的实践应