浅埋工作面上方集中煤柱预爆破效果微震监测研究

张 辉，孔令海，李浩荡

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京100013；3.神华集团有限责任公司煤炭生产部，北京100011）



浅埋工作面上方集中煤柱预爆破效果微震监测研究

张 辉1，2，孔令海1，2，李浩荡3

（1.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京100013；3.神华集团有限责任公司煤炭生产部，北京100011）

石圪台煤矿31201综采工作面过上方房式采空区集中煤柱后，上覆岩层的大范围运动造成下煤层综采面大量支架压死。基于岩体力学理论，分析了深孔爆破对上方集中煤柱的破坏机制，破坏煤柱完整性使房柱采空区上覆岩层超前破坏；探讨了实现房柱采空区大范围上覆岩层缓慢释放能量及渐进破坏的机理。基于微震监测结果，对比分析了集中煤柱爆破后覆岩破坏特征，探讨了集中煤柱爆破效果。结果表明，基于微震监测结果的爆破效果评价方法是合理的，符合现场实际情况。

集中煤柱；爆破效果；微震监测；房柱采空区；动载矿压

我国西北部许多矿区存在房柱开采遗留的采空区，由于与现开采的工作面距离近，许多煤矿生产中面临工作面过上方煤柱后的动载工程问题。

近年来，围绕工作面浅埋动载控制问题，我国学者进行了不同具体条件下的研究，取得了许多成果［1-6］。屠世浩等［1］研究了浅埋深近距离房柱采空区下煤层长壁开采工作面顶板垮落特征、致灾机理和控制技术，保证了工作面的安全生产。鞠金峰等［2］研究了近距离煤层工作面出上覆倾向煤柱时的动载矿压问题，从煤柱边界超前工作面失稳的角度阐述了其对动载矿压灾害的抑制机理，并分析了多种因素对煤柱边界超前失稳的影响规律。杨敬轩等［3］对房柱采空区下近距离两煤层顶板砌体结构进行了系统分析，提出了非连续均载作用下的砌体结构承载运动特征普适模型、房柱采空区下两煤层组合结构系统的受力运动模型。孟达等［4］认为，煤柱破坏后，顶板跨度成倍增加，其载荷转移到相邻煤柱上，引起相邻煤柱破坏，最后产生连锁现象。许家林等［5］研究了沟谷地形对浅埋煤层开采动载矿压显现的影响机理，工作面过沟谷上坡段时易发生端面切顶、冒顶和支架活柱急剧下缩的动载矿压，工作面过沟谷地形上坡段时一般不易产生动载矿压。工作面出煤柱阶段，上方不稳定三铰式结构关键块体随下部岩层下移而发生相对运动，导致下煤层关键层断裂块体上覆载荷过大而失稳，提出了促使关键块体提前回转、阻止和破坏其回转的压架灾害防治思路。陈苏社［6］通过分析近距离煤层群下层煤综采工作面过上层煤集中煤柱期间的矿压及显现规律，基于动载矿压原因的分析，采取了一系列防治压架的技术措施，实现了安全生产。上述文献从不同角度分析了形成工作面来压的特征，研究了浅埋煤层不同开采条件下的顶板运动规律和动载矿压机理，提出了有针对性的措施。但由于各矿区开采条件和地质条件的差异，浅埋动载矿压机理千差万别，其防治措施难以复制。

本文以微震监测技术为手段，分析了综采面上方房柱采空区集中煤柱爆破后的微震事件分布特征，研究了爆破后集中煤柱覆岩破坏特征，探讨了基于微震监测技术的煤柱爆破效果评价方法。

1　工作面概况与动载显现特征

神东石圪台煤矿31201工作面位于31煤层，为该煤层首采工作面，其上部间隔34.5～39.0m 为22煤层。该煤层已由原天隆煤矿采用房柱式开采形成大面积煤房采空区和残留煤柱。31201工作面倾向长度为311.4m，走向长度为1865m，31201工作面所在31煤层厚度一般在3.0～4.4m之间，平均4.0m，煤层倾角1～3°。工作面基岩厚度55.5～130m，埋深109.2～132.2m。工作面上覆有22煤房采采空区，上部的22煤层采高3.8m，采空区以3组平行于工作面的集中煤柱进行隔离，预留3段较大（24～61m）集中煤柱和若干较小（14～20m）集中煤柱，具体回采情况不详。煤岩层柱状见表1，31201工作面平面布置情况如图1所示。

初采期间工作面来压不明显，局部来压导致煤壁片帮和部分支架立柱安全阀开启，开启率约10%，无立柱下沉现象。工作面正常推进期间，来压时煤壁有炸帮、片帮、顶板掉渣、漏矸现象，工作面安全阀开启率在5%～15%之间。工作面两端头及巷道来压不明显，没有出现较大裂隙。至2013年12月，31201工作面出现多次矿压显现非常强烈的现象，工作面推进773m，最严重时工作面压死121台支架，活柱行程由原来1.3～1.5m下沉到0～0.2m，导致工作面停产。压架后3个月煤矿才恢复生产，给煤矿造成极大的经济损失。现场压架情况如图2所示。

2　集中煤柱预爆破与防止压架的机理分析

2.1煤柱爆破降低覆岩完整性的理论分析

通过对31201工作面开采地质条件的分析可知，工作面上方22煤房柱采空区存在大量遗留煤柱，这些煤柱中的宽度较大的隔离煤柱起到了支撑上覆岩层的作用，使得房柱采空区上覆岩层保持较好完整性。当31201工作面推过集中煤柱一段距离时，集中煤柱完全失稳破坏，导致房式采空区上覆岩层发生瞬时大面积失稳下沉，超大动载瞬时将下方综采面大部分支架压死。集中煤柱上方悬而未冒的基本顶失稳切冒成为大面积、瞬间压架的根本原因［7-11］，故对集中煤柱和上覆未冒落基本顶的处理是防治压架、保障安全生产的可行措施。

表1　工作面煤岩层柱情况

图1　31201工作面与推断房柱采空区的位置关系

图2　31201工作面来压期间支架被压情况

通过对集中煤柱进行爆破，破坏了煤柱的完整性及支撑上覆岩层的基础；当工作面推进至集中煤柱附近区域时，集中煤柱及覆岩进入超前支承压力影响区，受采动影响，爆破致裂的煤岩体发生进一步地破坏，覆岩爆生裂隙及原生裂隙进一步扩展，并形成较大裂隙；工作面推进至一定范围时，集中煤柱发生失稳破坏，同时诱发覆岩产生较大下沉，从而实现大面积覆岩 “能量阶段释放、动压分次化解”的目的，保证安全生产。

2.2集中煤柱爆破方案

为解决31201工作面上部22煤层预留集中煤柱导致应力集中现象，对22煤层集中煤柱实施深孔爆破措施。爆破的目标为22煤集中煤柱及上方直接顶岩层，爆破方案具体为:

（1）基于集中煤柱位置的调研资料，通过钻探方法，初步确定了集中煤柱的位置。

（2）根据集中煤柱钻探结果，31201工作面推进至距离上方22煤集中煤柱水平距离约40m处开始施工爆破钻孔。

（3）沿倾向方向，间隔14m布置向22煤层打穿层钻孔进行深孔爆破，共设计钻孔22个，成孔直径94mm。爆破参数如图3所示。

图3　集中煤柱爆破参数设计

（4）爆破方法为正向爆破，一次打眼，一次装药，一次爆破。

3　基于微震监测结果的爆破效果分析

工作面现场采用KJ768煤矿微震监测系统，采取了井下与地面联合监测的立体布置方案，井下设微震监测分站2个，地面设微震监测分站1个，共设测点76个。其中，在井下回风巷共布置测点31个，主运输巷布置测点34个，地面布置测点11个。微震监测基站设在地面监控室，通过光缆将监测数据实时传输至微震监测基站的主机，监控室实行24h值班制度，每天设专人对微震数据进行整理分析，实现对每天每个班次的生产指导。

集中煤柱爆破时间为2014年3月28日晚，爆破7h后，即在3月29日，微震事件的指标特征为:

（1）爆破后7h内，22煤顶板15个，占35.7%；31煤顶板27个，占64.3%，如图4（a）所示。

（2）爆破后7～31h内，22煤顶板22个，占38.6%；31煤顶板35个，占61.4%，如图4（b）所示。表2为爆破前后微震事件指标变化情况，由表2可知，相比爆破前，微震事件数量和能量发生突变。分析发生突变的主要原因是由于爆破诱发31煤高位顶板和22煤煤柱的破坏，进一步诱发22煤上覆岩层的破坏，从爆破后连续两日的微震事件分布看，受22煤煤柱和22煤顶板破坏运动的影响，工作面超前范围的31煤顶板岩层还处于能量释放阶段，说明22煤煤柱的破坏失稳并未结束，集中煤柱及附近区域煤岩体持续释放能量。

图4　微震事件分布情况

表2　爆破前后微震事件指标变化情况

3月29日晚21:00前后，工作面机头区地表产生下沉，地面裂隙素描如图5所示，地面最大裂缝超前工作面约85m范围。在地表发生沉陷后的3 月30日至4月3日，工作面安全推过集中煤柱区，说明此次集中煤柱爆破达到了预期效果，也验证了微震监测结果的可靠性。

图5　爆破后地面最大裂缝素描

4　结 论

基于微震监测技术，探讨了基于微震监测结果的浅埋房柱采空区集中煤柱爆破效果，指出集中煤柱上方悬而未冒的基本顶的失稳切冒是造成工作面大面积、瞬间压架的根本原因，对集中煤柱的超前破坏是有效处理上覆未冒基本顶的可行措施。微震监测结果表明，集中煤柱爆破后，房柱采空区的顶板岩层发生集中破坏，爆破后7h左右地表产生下沉，基于微震监测预警指标的煤柱爆破效果评价方法是合理的，结果符合现场实际情况。

Microseimic Monitoring of Concatenation Pillar Preblasting Results Above the Working Face in Shallow

ZHANG Hui1，2，KONG Ling-hai1，2，LI Hao-dang3
（1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining&Clean Utilization（China Coal Research Institute），Beijing 100013，China；3.Coal Production Department，Shenhua Corporation Co.，Ltd.，Beijing 100011，China）

After 31201 fully mechanized coal mining face of Shigetai coal mine passed concatenation pillar of room and pillar goaf，then a large amount supports of fully mechanized coal mining face were pressured as large scope of overburden movement，on the basis rock mass mechanics theory，the broken law of the deep hole blasting to upper concatenation pillar was analyzed，ahead broken appeared in overburden of room and pillar goaf as the integrity of broken pillar，the principle of energy release slowly and progressive failure of large scope overburden around room and pillar goaf were discussed.On the basis of microseimic results，the broken characters of overburden after concatenation pillar blasting were compared analysis，and blasting results were discussed.The results showed that the evaluation method of blasting results was rational under microseimic results，its consistent to the practical application.

concatenation pillar；blasting results；microseimic monitoring；room and pillar goaf；dynamic mine pressure

TD989；P315.75

A

1006-6225（2016）04-0119-04

2016-02-22

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.030

国家 “十二五”科技重大专项项目（2011ZX05040-002-004）；国家自然科学基金项目（51304117）；国家国际科技合作项目（2011DFA61790）

张 辉（1977-），男，四川南川人，工程师，主要从事煤矿矿用仪器仪表开发工作。

［引用格式］张 辉，孔令海，李浩荡.浅埋工作面上方集中煤柱预爆破效果微震监测研究［J］.煤矿开采，2016，21（4）：119-122.