大型构造影响区厚煤层工作面开采断顶预裂爆破技术研究

2021-03-03刘学征倪庆均赵荣学

中国煤炭工业 2021年12期

文/刘学征倪庆均赵荣学

根据山东能源新矿集团新巨龙公司8303工作面回采期间冲击地压主要影响因素分析结果，主要的集中静载荷影响因素为煤层冲击倾向性、开采深度、构造、采动应力、底煤厚度、大巷群等，在回采期间具有强冲击危险性。为保证位于断层群和毕垓断层等构造应力集中区的8303工作面安全开采，通过对两顺槽及切眼顶板采取断顶预裂爆破施工，切断因覆岩高位岩梁关键层悬顶过大对采场控顶区的作用力，有效减弱了断层群和毕垓断层等构造影响，同时有效地控制了采场周期来压步距，弱化了邻近大型断层构造区的应力集中程度，有利于工作面安全开采和控制冲击地压的发生，对冲击地压的防治具有显著效果。

一、概况

1．工作面位置及煤层情况

8303综放工作面位于二水平北区下山以南，东为尚未准备的8304工作面，西为毕垓断层保护煤柱，南为F21断层，北为二水平北区下山保护煤柱。该工作面设计走向长为573.8m，倾斜长为260m，储量为170.7万t，井下标高为-946.5～-993.9m。煤层平均厚度为9.0m，可采指数为1，煤厚变异系数为4.3%，为稳定煤层。煤层普氏硬度系数f=1.59，结构简单。

2．地质赋存条件

（1）断层构造。根据毕垓断层东至-980m水平大巷区域三维地震勘探资料显示，8303工作面东靠F21断层，西邻毕垓断层，南部为FD16、FD17和XF56断层带，北部发育FD21断层；工作面开采区域发育FD20断层，上、下平巷实际揭露断层4条，对工作面开采影响大的断层1条（FD20断层），其余断层对工作面开采影响较小。

（2）褶曲。8303工作面位于毕垓背斜的东翼，黄堂向斜的北部，煤层整体呈西北高，东南低。

3．采煤方法

8303工作面采用综合机械化放顶煤开采工艺，走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板；工作面3煤层厚度平均为9.0m，采高为3.8m，放煤高度为5.2m。

二、断顶预裂参数设计

8303工作面煤层上方5～21m之间赋存有一层15.95m的细砂岩，距离煤层较近，其悬顶和断裂均会对工作面前方带来显著影响；该工作面预裂层位为顶板以上15.95m的细砂岩及以上3层2～4m的细砂岩顶板，确定爆破孔进入顶板岩石垂深不小于30m。

1．切眼爆破参数

工作面切眼设计顶板预裂爆破钻孔8个，每个孔深40m，孔径73mm，装药长度19m，单孔装药量64.6kg。

2．上下平巷爆破参数

（1）上平巷爆破孔按间距20m设计一组，孔径89mm。每组设计5个钻孔，其中扇形倾向钻孔3个，孔深分别为30m、34m、42m，仰角对应为80°、60°、45°；走向钻孔2个，孔深分别为30m、34m，仰角对应为80°、60°；钻孔垂深30m，其中装药段垂深15m，封孔段垂深15m。走向钻孔与倾向钻孔间距为6m、7m。

（2）下平巷爆破孔按间距20m设计1组，孔径89mm。每组设计3个扇形倾向钻孔，孔深分别为30m、34m、42m，仰角对应为80°、60°、45°。钻孔垂深为30m，其中装药段垂深为15m，封孔段垂深为15m。

3．断层面松动爆破

在8303上平巷导线点BL8两侧150m范围内的断层与上平巷上帮（西帮）交点区域，对断层面和上下盘两侧设计钻孔18个，进行松动爆破。

（1）断层面松动爆破。设计钻孔2组，每组布置钻孔3个，仰角分别为30°、45°、60°，与小断层面夹角为10°斜穿小断层，孔深约为50m（穿毕垓断层5m），孔径为75mm；单孔装药量为50kg，封孔深度为1/2。

（2）断层上、下盘松动爆破。在断层上、下盘两侧设计钻孔6组，间距为25m，每组布置钻孔2个，仰角分别为45°、60°，钻孔垂直巷帮，孔深约为50m（穿毕垓断层5m）；单孔装药量为50kg，封孔深度为1/2。顶板深孔预裂爆破钻孔布置如图1所示。

图1 顶板深孔预裂爆破钻孔布置平面示意图

三、采场围岩破裂特征

1．8303工作面微地震事件监测分析

8303工作面共收集ARAMIS微地震事件3558个。其中，单日平均发生事件13.9个，平均释放能量3.99×104J；单日事件最多发生72个，单日最大释放能量16.5×104J。采场5000J以下的小能量微震事件占比大，达到85.95%。

2．邻近工作面微地震事件对比

8303工作面采取断顶爆破措施后，微地震事件发生3558个，同比未采取断顶爆破措施的8301工作面增加2323个。断顶后，8303工作面采场事件增加65.3%，其中1000J以下的小能量事件增加19%，采场能量释放比较充分。但由于8303工作面开采受毕垓断层、背斜等地质构造影响，104J以上的大能量事件发生66个，占比较高。

四、采场应力分布特征

8303综放工作面KJ550冲击地压监测系统共安设应力监测站32组。其中，上、下平巷各安设16组，每组监测站布置2个应力测点，安设孔深分别为8m和13m，监控采场运动范围内的煤体应力集中状态和变化规律。

自2020年7月11日试生产以来，受工作面回采二次采动及采场释放大能量事件影响，个别应力监测点应力值出现明显上升现象。根据近期超前应力监测分析，上平巷超前应力明显显现影响距离为27.6m；下平巷超前应力明显显现影响距离为40.4m，主要位于超前支承压力范围内，影响因素为超前支承压力、断层和背斜构造、覆岩自重等叠加、耦合作用。

五、顶板来压分析

1．直接顶初垮

（1）初垮步距。8303综放工作面切眼宽度为10m，自2020年7月11日试生产，至7月26日三班，平均推采7.1m，其中上平巷推采7.6m，下平巷推采6.5m；采空区14～51#、80～140#顶煤大面积冒落，接近工作面倾斜长度的2/3，判定为工作面顶煤初垮，初垮步距为17.1m，持续影响距离为2.4m。

（2）支架工况。工作面初垮前全部支架平均工作阻力为8880.23KN，最大平均支护阻力为11630.13KN，支护强度为0.83MPa；初垮期间全部支架平均工作阻力为9747.71KN，最大平均支护阻力为13668.44KN，支护强度为0.91MPa，动载系数为1.10。

2．基本顶初次来压

（1）来压步距。8303工作面自2020年7月11日试生产，至8月8日三班，工作面平均推采30.1m。其中，上平巷推采25.2m，下平巷推采14.9m。由于调采不规则开采影响顶板初次来压不充分，导致工作面分段来压，结合支架阻力明显增大、片帮等综合判定工作面中上部基本顶初次来压，来压步距为30.1m（包括切眼宽10m），至8月11日四班平均推采25.4m，工作面中上部初次来压结束，平均持续影响距离为5.3m。

（2）支架工况。8303工作面上部来压期间支架平均工作阻力为10113.1KN，比来压前增加793.4KN，支护强度为0.95MPa，动载系数为1.09；工作面平均工作阻力为9062.37KN，比来压前增加798.6KN，支护强度为0.85MPa，动载系数为1.10，来压期间中上部煤壁片帮。

3．基本顶周期来压

（1）来压步距。截至10月24日四班，8303工作面经历6次基本顶周期来压，平均周期来压步距为17.1m，最大周期来压步距为18m，平均持续影响距离为2.4m。

（2）支架工况。周期来压前的支架平均工作阻力为10356.8KN，是支架额定工作阻力的69%；最大平均支架支护阻力为11565.9KN，是支架额定工作阻力的77.11%；支护强度为0.97MPa。

周期来压期间的支架平均工作阻力为11624.8KN，是支架额定工作阻力的77.5%；最大平均支架支护阻力为12967.1KN，是支架额定工作阻力的86.45%；支护强度为1.08MPa，动载系数为1.14，来压显现略明显。

六、基本顶来压与爆破效果分析

选取相邻8301工作面和6304工作面的实测基本顶来压参数，与8303工作面采取顶板预裂爆破措施后的效果进行对比，分析确定爆破断顶前后的基本顶来压步距、采场释放能量的变化规律。

1．相邻工作面来压步距对比

（1）基本顶初次来压对比。根据矿井回采工作面的基本顶初次来压统计，在未采取断顶预裂措施的初次来压步距一般都在50m以上，且来压显现不明显。

通过邻近8301工作面、6304工作面和8303工作面的基本顶初次来压对比分析，未采取爆破措施的基本顶来压步距平均在60.3m，8303工作面采取切眼断顶和超前断顶爆破措施后，初次来压距离为30.1m，是非断顶爆破工作面的0.5倍。8303工作面实施切眼断顶爆破措施后，基本顶初次来压步距明显小于其他工作面的来压步距，断顶效果明显。

（2）基本顶周期来压对比。通过以上三个工作面的周期来压参数对比分析，未采取爆破措施的基本顶周期来压步距平均为18.1m，最大周期来压步距为24.8m。而8303工作面采取切眼断顶和两巷超前断顶爆破措施后，基本顶周期来压步距平均为16.1m，最大周期来压步距为18m，最大周期来压步距是非断顶爆破工作面的0.65倍；从目前来看，采取断顶爆破措施后，工作面周期来压步距均小于断顶间距20m。

2．来压期间支架工况对比

根据三个工作面的支架工作阻力分析看，8303工作面来压前的支架平均工作阻力为9988.6KN，比其他两个工作面平均工作阻力增加0.05倍；来压期间的支架工作阻力为11115.1KN，比其他两个工作面平均工作阻力增加0.06倍。

8303工作面断顶爆破后的来压前和来压期间的支架平均工作阻力比其他工作面增量不大，从工作面支架工作阻力角度分析，断顶爆破效果影响不大。