肖自義，徐恒

（1.國家礦山安全監(jiān)察局山東局，山東 濟(jì)寧 272155；2.山東濟(jì)礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東 濟(jì)寧 272155）

近年來，綜采放頂煤采煤法在煤礦生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用，但由于在工作面回采生產(chǎn)中上覆巖層不斷運(yùn)動(dòng)，由最開始的初次運(yùn)動(dòng)到后面呈現(xiàn)一定規(guī)律的斷裂運(yùn)動(dòng)，頂板懸頂距離過長等問題頻發(fā)，容易引發(fā)沖擊地壓[1]?；诖?，陽城煤礦3305 綜放工作面通過應(yīng)用頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，降低頂板區(qū)域應(yīng)力集中程度，進(jìn)而達(dá)到降低工作面沖擊危險(xiǎn)性、保障安全生產(chǎn)的目的。

1 概況

1.1 3305 工作面概況

陽城煤礦3305 工作面南側(cè)為三采區(qū)回風(fēng)下山、東側(cè)為3303 工作面采空區(qū)、北側(cè)為DF53 正斷層、南側(cè)為3303 工作面采空區(qū)。工作面為矩形工作面，傾向長度為92 m，走向長度為451.9 m。工作面采用綜采放頂煤一次采全高長壁后退式采煤法，采空區(qū)采用全部垮落法處理。工作面標(biāo)高-876—-1 020 m。3305 工作面布置如圖1所示。

圖1 3305 工作面布置Fig.1 Layout of No.3305 Face

1.2 煤層及頂?shù)装鍘r性

3305 工作面煤層平均厚度為7.8 m，根據(jù)陽城煤礦3 號(hào)煤層及其頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性鑒定結(jié)果，3 號(hào)煤及頂?shù)装鍘r層均具有弱沖擊傾向性。頂板上方100 m 范圍內(nèi)存在較厚的堅(jiān)硬巖層，分別為10.59 m 的細(xì)砂巖和10.51 m 的中砂巖。3305 工作面頂?shù)装鍘r層情況見表1。

表1 3305 工作面頂?shù)装鍘r層情況Table 1 Roof and floor rock conditions of No.3305 Face

2 3305 工作面沖擊機(jī)理

2.1 3305 工作面靜載力源

工作面回采后，工作面頂板巖層受到垂直載荷作用而發(fā)生彎曲變形，最終以工作面前方實(shí)體煤為支承旋轉(zhuǎn)下沉，基本頂巖層垂直載荷向?qū)嶓w煤區(qū)域轉(zhuǎn)移，進(jìn)而造成實(shí)體煤邊緣應(yīng)力集中[2]。結(jié)合3305工作面采掘布置情況，3305 工作面南側(cè)為3303 采空區(qū)，因此3305 工作面回采過程中會(huì)受3303 采空區(qū)側(cè)向支承壓力及本工作面上覆巖層自重載荷產(chǎn)生的超前支承壓力的影響，從而產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中，導(dǎo)致其內(nèi)部積聚大量彈性應(yīng)變能。

2.2 3305 工作面動(dòng)載力源

隨著頂板巖層彎曲下沉量不斷增加，頂板巖層彎矩及內(nèi)部積聚的彈性應(yīng)變能持續(xù)升高。由于3305 工作面采高較大，冒落的煤巖體不能填滿采空區(qū)，進(jìn)而無法對(duì)覆巖提供有效支承。因此，當(dāng)頂板超過其強(qiáng)度極限時(shí)將發(fā)生斷裂，從而產(chǎn)生較強(qiáng)動(dòng)載。同時(shí)工作面前方實(shí)體煤高應(yīng)力區(qū)域在開采擾動(dòng)等外部因素影響下，容易沿軟弱且無約束的結(jié)構(gòu)面突然釋放彈性能，從而誘發(fā)沖擊地壓[3]。相關(guān)研究[2-3]表明當(dāng)區(qū)域內(nèi)靜載應(yīng)力較高時(shí)，較小的動(dòng)載增量也可能誘發(fā)沖擊地壓。

同時(shí)由于受FD49 斷層切割影響，在3303 采空區(qū)中懸露頂板距離小于頂板來壓步距，不易垮落，因此容易形成懸頂（如圖2中A 區(qū)域所示）；進(jìn)一步，由于受3303 停采線約束，采空區(qū)三角區(qū)容易形成懸頂（如圖2中B 區(qū)域所示），懸露頂板可能突然破斷釋放能量，從而誘發(fā)沖擊地壓。

圖2 3305 工作面臨空側(cè)懸頂分析Fig.2 Analysis of suspended ceiling on goaf side of No.3305 Face

2.3 3305 工作面動(dòng)靜載疊加誘沖機(jī)理

根據(jù)能量準(zhǔn)則及強(qiáng)度準(zhǔn)則，沖擊礦壓是煤體—圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)破壞時(shí)所釋放的能量大于所消耗的能量時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力現(xiàn)象，可用下式表示[3-5]：

式中：UR是圍巖中儲(chǔ)存的能量；UC是煤體中儲(chǔ)存的能量；US是礦震能量；UB是沖擊礦壓發(fā)生時(shí)消耗的能量。

煤巖體中儲(chǔ)存的能量和礦震能量可表示為[8-10]：

式中：σj是煤巖體中的靜載荷；σd是礦震形成的動(dòng)載荷。

而沖擊礦壓發(fā)生時(shí)消耗的最小能量可表示為：

式中：Ubmin是沖擊礦壓發(fā)生時(shí)的最小載荷。

沖擊礦壓的發(fā)生需要滿足如下條件，即：

因此，3305 工作面在靜載應(yīng)力相對(duì)較高區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)動(dòng)載時(shí)便有可能發(fā)生沖擊地壓。

3 頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)方案

3.1 頂板深孔預(yù)裂爆破防沖原理

由于3305 工作面沖擊危險(xiǎn)與上覆頂板巖層的懸露有關(guān)，因此對(duì)于頂板在其集聚大量能量前實(shí)施頂板深孔預(yù)裂爆破可有效降低礦壓危險(xiǎn)性，其原理是：在工作面前方，利用深孔爆破釋放能量，并在頂板中預(yù)制定向裂隙，使得回采后頂板在上覆巖層作用下沿預(yù)制裂隙回轉(zhuǎn)下沉，避免形成大面積的懸頂結(jié)構(gòu)，從而能夠有效減少工作面前方實(shí)體煤靜載及強(qiáng)動(dòng)載的產(chǎn)生[6-7]。

3.2 頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)方案

3.2.1 工作面深孔預(yù)裂爆破方案

工作面回采期間對(duì)自切眼向外200 m 范圍內(nèi)巷道頂板施工32 個(gè)深孔預(yù)裂爆破孔，如圖3中區(qū)域A 所示；皮順4 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)至7 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)之間90 m范圍內(nèi)施工14 個(gè)深孔預(yù)裂爆破孔，如圖3中區(qū)域B 所示；軌順8 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)至7 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)向外23 m之間114 m 范圍施工21 個(gè)走向深孔預(yù)裂爆破孔，如圖3中區(qū)域C 所示。

圖3 深孔預(yù)裂爆破孔布置Fig.3 Layout of deep hole pre-split blasting hole

根據(jù)工作面鉆孔柱狀圖，確定爆破斷頂鉆孔布置在巷道中線位置，垂直巷道走向、偏向采幫側(cè)15°，孔徑75 mm，孔深30 m，間距6～8 m，如圖4所示。裝藥長度14 m，封孔長度16 m。

圖4 皮帶順槽頂板預(yù)裂爆破孔施工示意Fig.4 Construction of pre-split blasting hole in belt roadway roof

3.2.2 裝藥參數(shù)

鉆孔垂直于巷道頂板、順巷道中線單排布置，間距6～8 m，φ75 mm，孔深30 m。裝藥長度16 m，裝藥量20 kg/孔。

4 基于礦震分析的工程實(shí)踐驗(yàn)證

4.1 軌道順槽頂板深孔預(yù)裂爆破效果分析

為對(duì)比分析深孔預(yù)裂爆破的效果，在3305 工作面回采之前，在切眼外80～180 m 實(shí)施了頂板預(yù)裂爆破，在切眼外180～280 m 未實(shí)施頂板預(yù)裂爆破。對(duì)比分析可知，回采期間，預(yù)裂爆破區(qū)域相比未預(yù)裂爆破區(qū)域，在相同推進(jìn)時(shí)間距離內(nèi)，微震事件數(shù)量及能量出現(xiàn)頻次明顯降低；在未預(yù)裂爆破區(qū)域，兩順槽微震事件分布較為均衡，在軌順預(yù)裂爆破區(qū)域的微震事件分布較皮順減少很多。

圖5 回采至切眼外側(cè)80～180 m時(shí)微震事件分布Fig.5 Microseismic events distribution while mining 80～180 m

圖6 回采至切眼外側(cè)180～280 m時(shí)微震事件分布Fig.6 Microseismic events distribution while mining 180～280 m

工作面回采過程中，F(xiàn)D49 斷層前后微震事件較為密集，完成了FD49 斷層前后的走向、傾向爆破預(yù)裂工作后，將頂板預(yù)裂爆破前后的微震事件分布如圖7所示。

圖7 軌順預(yù)裂爆破前后微震事件分布Fig.7 Microseismic events distribution before and after pre-split blasting in track roadway

對(duì)比分析軌順預(yù)裂爆破前后微震事件分布規(guī)律可知：軌順FD49 斷層前后區(qū)域完成預(yù)裂爆破后相較預(yù)裂爆破前，相同時(shí)間段內(nèi)微震事件能量及頻次均出現(xiàn)大幅度下降。

4.2 皮帶順槽頂板深孔預(yù)裂爆破效果分析

3305 工作面皮順掘進(jìn)期間，8 號(hào)導(dǎo)線點(diǎn)前后（區(qū)域B） 為微震事件密集區(qū)，掘進(jìn)期間微震事件較密集。工作面回采到此區(qū)域前，設(shè)計(jì)完成皮順深孔預(yù)裂爆破卸壓。區(qū)域B 頂板預(yù)裂爆破前后的微震事件分布如圖8所示。

圖8 皮順預(yù)裂爆破卸壓前后微震事件分布Fig.8 Microseismic events distribution before and after pre-splitting blasting pressure relief in belt roadway

對(duì)比分析皮順預(yù)裂爆破前后微震事件分布規(guī)律可知，掘進(jìn)期間區(qū)域B 為大能量事件密集區(qū)域，在回采至此區(qū)域前進(jìn)行頂板預(yù)裂爆破，區(qū)域事件明顯減少；在皮順頂板預(yù)裂爆破完成后，相比頂板預(yù)裂爆破前，相同時(shí)間段內(nèi)工作面微震事件能量及頻次均降低。

5 結(jié)論

（1） 對(duì)比分析3305 工作面回采預(yù)裂爆破區(qū)域（切眼外80～180 m） 與回采未預(yù)裂爆破區(qū)域（切眼外180～280 m） 的微震事件分布和能量大小，在預(yù)裂爆破區(qū)域推采時(shí)，微震事件數(shù)量較非預(yù)裂爆破區(qū)域數(shù)量少、能量低；且進(jìn)行預(yù)裂爆破的順槽微震事件頻次及能量均較未預(yù)裂爆破的順槽低。

（2） 通過對(duì)掘進(jìn)期間大能量事件集中區(qū)域進(jìn)行預(yù)裂爆破卸壓，預(yù)裂爆破后，回采期間該區(qū)域微震事件能量、頻次均出現(xiàn)下降，其中大能量事件個(gè)數(shù)（＞104J） 下降顯著。

（3） 軌順FD49 斷層前后開展頂板預(yù)裂爆破后較開展頂板預(yù)裂爆破前，微震事件個(gè)數(shù)和能量頻次均出現(xiàn)下降。

（4） 綜合分析表明，深孔預(yù)裂爆破有利于降低綜采放頂煤順槽及斷層區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)程度，對(duì)其他類似條件的工作面安全回采具有一定的借鑒意義。