双鸭山集贤煤矿冲击地压防治技术

单麒源 商宇航

(黑龙江科技大学矿业工程学院)

双鸭山集贤煤矿冲击地压防治技术

单麒源 商宇航

(黑龙江科技大学矿业工程学院)

分析了集贤矿西二采区冲击地压的发生原因，结合冲击地压发生理论，提出了大孔径煤体钻孔卸压和深孔爆破切顶技术，有效缓解了该采区的冲击地压灾害，排除生产安全隐患，获得了显著的经济效益和社会效益。

冲击地压 钻孔卸压 爆破切顶

集贤煤矿已有多年的开采历史，随着开采深度的增加，冲击危险性明显加大，尤其是西二采区开采以后，冲击地压发生的频率明显增加，强度普遍较大，极大地影响了矿井安全生产，需对其进行治理。

1 冲击地压发生的原因

(1)冲击地压发生机理。当顶底板足够坚硬，煤体会处于一个被顶底板夹持的状态，限制了煤体的卸载变形，从而集聚了很多的弹性势能[1]。同时煤体也会被压的更实在，在煤-岩相交处形成一个高压带，煤体中储积了很高的弹性势能，如果此时的弹性势能高于限制阻力，煤体弹性势能就会迅速释放出来，将煤体推向巷道自由空间，导致冲击地压的产生[2-3]。

(2)集贤煤矿西二采区冲击地压发生原因分析：①根据统计，我国冲击地压发生频率较高的开采深度为600 m，目前西二采区开采深度在600 m附近，增加了冲击地压发生的可能性；②顶板坚硬厚度较大，易于造成大面积悬顶，产生应力集中，同时集聚弹性势能，有助于冲击地压形成；③复杂的地质构造使煤岩水平构造应力增大，为冲击地压提供先天条件；④区段煤柱留设过宽，对顶板起到了很好的支撑，同时煤柱自身也集聚了很多能量，易诱发冲击地压。

2 西二采区冲击地压防治措施

双鸭山矿区冲击地压现象表现出煤岩大量抛出，从远近场载荷系统综合考虑，动力源不仅是坚硬顶板，也可能是高位岩层的作用，而每一次冲击破坏位置均位于上巷两帮，可见顶板断裂产生的动载在冲击地压的形成过程中发挥了重要的作用；冲击地压仅发生在应力高度集中区域，工作面超前应力影响的上巷区段煤柱，冲击地压将始终发生在距震源最近的自由面附近，该处受动载作用最强烈。矿井动静加载条件下冲击地压形成机理模型如图1所示。

2.1 大孔径煤体钻孔卸压技术

2.1.1 大孔径煤体钻孔卸压机理

钻孔围岩原有的三维受力环境发生改变，煤岩强度下降，集中应力大于围岩的强度极限，钻孔内壁形成塑性区域，且逐渐增大[4]。当塑性圈内部的自由空间较大，形变达到一定时，钻孔内壁会产生裂隙损坏，形成破裂区，依次向外形成塑性区、弹性区，而起到关键卸压作用的是破裂区。如图2所示[5]。

图1 矿井冲击煤岩体能量释放原理

图2 孔径煤体钻孔卸压机理

破裂区的持续发育，使得煤岩强度逐渐降低，钻孔内壁产生裂隙直至塌孔，钻孔直径被扩大，引起钻孔周围应力重新分布，重新形成破裂区、塑性区和弹性区，如此重复，不断对钻孔周围的煤岩进行卸载，改变其应力状态，扩大卸压范围。

2.1.2 大直径钻孔布置方案

在特定的地质构造和应力条件下，增大钻孔直径可有效提高卸压效果。但钻头直径过大，孔壁承受的压力超过钻头的扭力，导致夹钻，更有甚者会发生钻孔冲击；在急倾斜煤层中，增加钻孔直径对工人和钻孔设备要求更高，施工效率低。

2.1.2.1 上帮煤层煤体钻孔卸压

孔径133 mm，孔深15 m左右，钻孔倾角与煤层倾角相同、方向与煤层走向相同，平行煤层布置。起始位置自切眼煤壁向外150 m，每隔1.5 m钻一个卸压孔，终止在B1点前45 m，钻孔高度在煤层中部，如图3所示。

2.1.2.2 下帮煤层煤体钻孔卸压

孔径133 mm，孔深60 m左右，钻孔倾角与和煤层倾角相同、方向与煤层走向相同，平行煤层布置，在下帮原瓦斯抽放孔中间钻孔。起始在切眼煤壁往外150 m，每隔3.0 m钻一个卸压孔，终止在B1点前45 m，钻孔高度在煤层中部，卸压钻孔钻好后，用水泥砂浆封孔，封孔长度大于200 mm。卸压孔布置如图4所示。

图3 上帮煤层卸压钻孔布置(单位：m)

图4 下帮煤体卸压孔布置(单位：m)

2.2 深孔爆破切顶技术

2.2.1 深孔爆破切顶机理

控制爆破技术会使钻孔周围形成粉碎区、裂隙区和震动区。粉碎区和裂隙区使工作面前方顶板应力重新分布，集中应力得到释放并向深部转移或使顶板断裂，减小顶板轴向的应力梯度[6],同时承受集中应力的顶板向破碎区方向产生一定的“流变”，内部的弹性势能得到释放，减小了径向上的应力梯度，预防了冲击地压地发生[7]。

2.2.2 爆破孔布置方案

2.2.2.1 爆破孔参数

(1)孔径。满足爆破能量，同时还要获取较高的成孔率，取钻孔直径为94 mm。

(2)孔间距。根据爆破破碎区和裂隙区半径：

(1)

(2)

式中,ρ0为炸药密度，kg/m3；Dv为炸药爆速，m/s；n为爆炸气体对钻孔内壁的压力增大系数，一般取n=10；K为不耦合装药系数；lc为装药轴向系数，取lc=1；η为爆轰产物的膨胀绝热指数，一般取3；σcd、σtd分别为岩石动态抗压、抗拉强度，MPa。

通过现场岩石取样，试验测得数据并计算，可得西二采区破碎区半径约为210 mm，裂隙区半径为2.5 m，炮孔间距可以设为5 m。

根据以上计算结果，走向切顶爆破双孔钻设孔间距为5.2 m；考虑现场实际，倾向切顶孔按组钻设，间距为15 m。

(3)孔深。为保证侧向空区顶板和采空区后方顶板在爆破后能够完全断裂，将侧向采空区切顶和本工作面顶板超前切顶结合考虑。

微震监测结果表明，矿井高能量冲击事件震源大都位于煤层上方25 m以上。厚度为7.3 m细砂岩和9.43 m厚的中砂岩是两个严重危险源，受钻孔施工难度和长度限制，工作面超前切顶以7.3 m细砂岩为主。通过计算，走向切顶钻孔深度为50，45 m，倾角为50°，90°；倾向切顶钻孔深度为46，50，57 m，倾角分别为72°，55°，42°。

(4)封孔长度。封孔长度小于临界长度会发生打孔(抛掷漏斗)，大于临街长度会缩减爆破强度，不利于裂隙发育。根据经验数据将封孔长度确定为整个孔深的30%左右。

(5)装药量。钻孔装药使用装药机，根据钻孔深度和封孔长度及钻孔直径计算装药量。

爆破孔参数如表1所示。

2.2.2.2 爆破施工方案

(1)走向切顶爆破孔。从切眼向外100 m开始，沿巷道中线施工，每隔5m钻设一组，从顶板入钻，孔深分别50，45 m；倾角为50°，90°，终止位置B1点前45 m，孔径 94 mm，如图5所示。

表1 切顶爆破孔参数

图5 走向断顶孔布置示意

(2)倾向切顶爆破孔。从切眼向外100 m开始，沿巷道中线左帮(下帮)，每隔15 m打设一组，顶板入钻，钻孔深度分别为46，50，57 m；倾角分别为72°，55°，42°。终止位置B1点前45 m，孔径94 mm，如图6所示。

图6 倾向断顶孔布置示意

走向、倾向断顶孔平面布置，如图7所示。

图7 走向、倾向断顶孔平面布置示意(单位：mm)

3 结 论

通过采用大孔径煤体钻孔卸压和深孔爆破切顶，对集贤矿西二采区冲击地压灾害进行专项治理，使该采区冲击地压安全事故明显减少，采煤设备和巷道得到了有效保护，消除了生产安全隐患，减少了安全事故的发生，经济效益和社会效益显著。

[1] 费鸿禄，徐小荷.岩爆的动力失稳[M].上海:东方出版中心,1998.

[2] 徐曾和,徐小荷,唐春安.坚硬顶板条件下煤柱岩爆的尖点突变理论分析[J].煤炭学报,1995,20(5):485-491.

[3] 李廷芥,王耀辉,张梅英，等.岩石裂纹的分形特性及岩爆机理研究[J].岩石力学与工程学报,2000(1):6-10.

[4] 王淑坤,齐庆新,曾永志.我国煤岩冲击倾向研究的进展[J].煤矿开采,1998(3):30-32

[5] 景海河.深部工程围岩特性及其变形破坏机制研究[D].北京:中国矿业大学,2002.

[6] 董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及其应用技术[M].北京：煤炭工业出版社,2001.

[7] 于贵良，李 前，王元杰.深部急倾斜特厚煤层分层开采冲击地压防治技术[J].煤炭科学技术,2011(2)：17-21.

Control Technique of the Rock Burst of Shuangyashan Jixian Coal Mine

Shan Qiyuan Shang Yuhang

(School of Mining Engineering, Heilongjiang university of Science&Technology)

The cause of rock burst in the west distirct of Jixian Coal Mine west district is analyzed, combining with the occurred theory of rock burst, the method large aperture coal drill hole pressure relief and the roof of cutting in deep-hole blasting are proposed. The application results show that the rock burst in this mining area is alleviated effectively, the safety hazards in production is excluded, besides that, significant economic and social benefits are obtained.

Rock burst， Borehole pressure relief, Cut top by blasting

2015-04-07)

单麒源(1985—)，男，助教，硕士，150027 黑龙江省哈尔滨市松北区糖厂街1号。