突出煤層掘進(jìn)巷道沖擊地壓防治技術(shù)
關(guān)鍵詞：掘進(jìn)巷道；沖擊地壓；松動(dòng)爆破
中圖分類(lèi)號(hào)：TD324．2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：0253—2336(2008)04—0043—04
沖擊地壓是指在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)承受高應(yīng)的瞻I生煤體或巖體極限平衡遭到破壞時(shí)，向自由三聞突然釋放能量的動(dòng)力現(xiàn)象。它是一種嚴(yán)重威脅喜礦安全生產(chǎn)的動(dòng)力災(zāi)害，具有突發(fā)性和巨大的破
E性。平煤天安十二礦目前的開(kāi)采深度已達(dá)到100 m，標(biāo)高一775 m，隨著礦井開(kāi)采深度的加大．開(kāi)采條件和自然環(huán)境發(fā)生顯著變化，出現(xiàn)了高塑應(yīng)力、高瓦斯、低滲透性和低強(qiáng)度煤體的現(xiàn)象，
爭(zhēng)擊地壓及瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)安全生產(chǎn)造 曼了嚴(yán)重威脅，如2005年6月29平煤天安十二礦三三水平回風(fēng)下山發(fā)生一次沖擊型動(dòng)力現(xiàn)象，拋出煤量約44 t，涌出瓦斯約1 280 m。，噸煤平均涌出瓦斯約29．1 m。。前探梁有后縮現(xiàn)象，所用輸送機(jī)機(jī)尾壓柱被摧斷。這種特殊動(dòng)力現(xiàn)象給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的影響，并且隨著掘進(jìn)深度的不斷增加，這種威脅將愈加嚴(yán)重。
為了有效防治掘進(jìn)期間掘進(jìn)工作面的沖擊地壓與瓦斯突出問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外煤炭科研人員進(jìn)行了較為
廣泛的研究，先后試驗(yàn)了多項(xiàng)卸壓、消突技術(shù)措 施，并取得了一定的消突效果。如開(kāi)采保護(hù)層、區(qū)域性瓦斯預(yù)抽、超前鉆孔、深孔注水、水力沖孔、水力割縫、深孔松動(dòng)爆破和深孔控制爆破等。
為了保證十二礦三水平以后回采準(zhǔn)備過(guò)程中的正常安全施工，根據(jù)平煤十二礦己，，一31010工作面地質(zhì)條件，在頂板高位瓦斯抽排巷道內(nèi)向有沖擊地壓傾向的掘進(jìn)巷道布置一排俯角斜孔，終點(diǎn)直達(dá)掘進(jìn)巷道底板內(nèi)，實(shí)施鉆孔松動(dòng)爆破，使巷道周?chē)谇斑M(jìn)中卸壓，從而達(dá)到防治沖擊地壓和防突的目的。
1 掘進(jìn)巷道沖擊地壓發(fā)生機(jī)理分析
三水平回風(fēng)下山布置在己，，煤層之中，揭露層位標(biāo)高在一590～一820 m，該工作面煤層賦存較穩(wěn)定。正常煤層為原生結(jié)構(gòu)煤，煤的破壞類(lèi)型為II～I(xiàn)II類(lèi)，局部為Ⅳ類(lèi)，煤層節(jié)理比較發(fā)育，煤層瓦斯含量約18～25 m3／t，掘進(jìn)過(guò)程中絕對(duì)瓦斯涌出量約1．7～4 m3／min。在巷道掘進(jìn)到距開(kāi)口570m位置時(shí)，由于受煤層頂板數(shù)條裂隙的影響，形成突出條帶，造成瓦斯相對(duì)富積，突出危險(xiǎn)性增大，三水平回風(fēng)下山巷道掘進(jìn)位置處于瓦斯突出危險(xiǎn)區(qū)。但從突出發(fā)生前瓦斯及突出檢驗(yàn)、突出發(fā)生過(guò) 程、突出現(xiàn)場(chǎng)(無(wú))風(fēng)流痕跡、突出發(fā)生后瓦斯涌出量的變化，以及動(dòng)力現(xiàn)象引起的巷道圍巖變形破壞特征表明，該次動(dòng)力現(xiàn)象不是一次普通的煤與瓦斯突出。
該次動(dòng)力現(xiàn)象位置，具備很高的原巖應(yīng)力，巷道頂板為較堅(jiān)硬的厚層砂質(zhì)泥巖，煤層干燥呈脆
性；己，，煤層瓦斯壓力為2．85 MPa；在高原巖應(yīng)力作用下，煤巖系統(tǒng)積聚大量彈性能，處在掘進(jìn)面處的煤體在頂?shù)装鍘r層的高應(yīng)力作用下，煤層中的高瓦斯壓力使煤巖體三軸強(qiáng)度被消弱，具有高瓦斯壓力的煤體，使得受壓失穩(wěn)極限值隨之減小，另外，掘進(jìn)面圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改變和抵抗能力的降低，使巷道圍巖系統(tǒng)處于極限平衡狀態(tài)，在爆破動(dòng)載擾動(dòng)力作用下，必然導(dǎo)致了動(dòng)力現(xiàn)象。在這次動(dòng)力現(xiàn)象中，可以明顯看出，地應(yīng)力和沖擊地壓因素起主導(dǎo)作用。與單純的動(dòng)力現(xiàn)象相比，復(fù)合型動(dòng)力效應(yīng)可能更強(qiáng)、更猛烈。如震動(dòng)、聲響、動(dòng)態(tài)過(guò)程演化可能連續(xù)數(shù)次(本此發(fā)生的沖擊型突出在躲避硐室的工人聽(tīng)到連續(xù)3次脆性聲音)。因此，從條件上判斷，該段巷道符合發(fā)生沖擊地壓和煤與瓦斯突出的充要條件。從動(dòng)力現(xiàn)象前后的現(xiàn)象判斷，符合沖擊地壓和煤與瓦斯共同作用下的復(fù)雜礦井動(dòng)力現(xiàn)象的典型特征。如上述的發(fā)生事故前巷道頂板連續(xù)斷裂、事故導(dǎo)致的巷道頂?shù)装寮皟蓭偷拿黠@變形，部分錨索失效、金屬網(wǎng)和梯子梁嚴(yán)重變形，動(dòng)力現(xiàn)蔓后煤與瓦斯的變化情況等。
根據(jù)上述分析，綜合沖擊地壓和瓦斯兩種因素，可將本次動(dòng)力現(xiàn)象定義為：高應(yīng)力作用下，以沖擊地壓為主導(dǎo)，沖擊地壓和煤與瓦斯共同作用的復(fù)雜礦井動(dòng)力現(xiàn)象。也可將其稱(chēng)為“沖擊地壓主導(dǎo)型煤與瓦斯突出”或“沖擊主導(dǎo)型突出”，簡(jiǎn)單的也可以稱(chēng)為“沖擊型突出”。
2沖擊地壓防治技術(shù)原理
2．1 鉆孔松動(dòng)爆破卸壓機(jī)理 [2-3]
當(dāng)炸藥在特定鉆孔內(nèi)爆破時(shí)，產(chǎn)生高壓沖擊波和爆生氣體，致使炮孔周?chē)鷰r石過(guò)度粉碎，擴(kuò)大炮孔形成空腔，即產(chǎn)生壓縮粉碎圈。之后，沖擊波以應(yīng)力波的形式向四周放射傳播，當(dāng)傳播至控制孔時(shí)，就產(chǎn)生應(yīng)力波的完全反射，導(dǎo)致在爆破孔與控制孔連心線(xiàn)方向產(chǎn)生集中拉應(yīng)力，從而在連心線(xiàn)方向開(kāi)裂。然后，高壓爆生氣體以靜態(tài)壓應(yīng)力場(chǎng)作用于裂縫表面，使得連心線(xiàn)方向上又形成靜態(tài)壓應(yīng)力集中，致使開(kāi)裂縫能夠繼續(xù)擴(kuò)展，最終在連心線(xiàn)方向形成貫通裂縫。因此，深孔控制卸壓爆破的結(jié)果是在爆破孔周?chē)a(chǎn)生一柱狀的壓縮粉碎圈，以及貫通爆破孔與控制孔的爆破裂縫面。
深孔控制卸壓爆破后，引起工作面前方巖體應(yīng)力突然重新分布，導(dǎo)致上覆圍巖壓力發(fā)生變化，在爆破裂縫面處產(chǎn)生煤巖體的剝落片及次生裂縫面并把巖體分成2層或多層。爆破裂縫面、壓縮粉碎圈、控制孔以及巖體內(nèi)一些原始裂紋連為一體，如圖l所示。不僅使地應(yīng)力釋放，使圍巖應(yīng)力峰值向煤巖體深處轉(zhuǎn)移，而且還可以提高工作面前方煤巖體的透氣性，加速巖體內(nèi)瓦斯排放，瓦斯氣體得 以充分釋放。爆破段形成的破碎圈帶和松動(dòng)圈帶，使地方
地應(yīng)力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力場(chǎng)重新分布；使瓦斯加速排放，降低了瓦斯壓力梯度，減少了突 勢(shì)能。實(shí)現(xiàn)了空間和時(shí)間的超前防護(hù)作用，從而到了卸壓及防止突出的作用。
由于控制孔的控制導(dǎo)向作用，所以深孔控制卸壓爆破的結(jié)果是在介質(zhì)內(nèi)部的炮孔周?chē)a(chǎn)生一柱狀的壓縮粉碎圈和一沿爆破孔與控制孔連心線(xiàn)方向的貫穿爆破裂縫面，如圖2所示。貫穿爆破裂縫面的
產(chǎn)生．是深孔控制卸壓爆破實(shí)現(xiàn)其防突作用的關(guān)鍵，其防突機(jī)理同其他局部措施也不完全相同。
2.2 鉆孔參數(shù)的確定
鉆孔的布置應(yīng)遵循以下原則[4] ：①有利于形變碎圈帶和松動(dòng)圈帶；②盡可能使爆破影響范圍大：③在保證卸壓及防突的效果下，盡可能減少孔數(shù)，縮小孔徑、增大一次爆破長(zhǎng)度。
在爆破孔周?chē)来涡纬杀?、破碎區(qū)、裂隙帶和震動(dòng)區(qū)，其中卸壓作用帶為破碎區(qū)和裂隙帶，其破碎半徑一般為裝藥半徑的2～3倍，裂隙帶半徑R可由下式求得[5] ：
u——泊松比，取O．26；
1-——炮孔半徑，取75 mm：
d——衰減系數(shù)，d=1．649；
S——抗拉強(qiáng)度，取1 MPa：
P——應(yīng)力初始峰值，MPa；
ro——裝藥半徑，取炮孔半徑；
g——炸藥密度，1．04∥cm。；
n——增大倍數(shù)；
D——爆速，m／s。
當(dāng)D取2 200 m／s時(shí)，p=629．2 MPa．R：=1.979 6 m；當(dāng)D取2 400 m／s時(shí)，p=748．8 MPa． R=2．2 m。根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)炮孔半徑r取75 mm爆破后裂隙區(qū)半徑可達(dá)到2 m左右。炮孔間距a應(yīng)小于兩相鄰炮孔產(chǎn)生的裂隙區(qū)半徑之和，即a=2R由于爆破后炮孔之間引起應(yīng)力集中，有利于堅(jiān)硬煤層破碎。根據(jù)以上原則，為達(dá)到充分的卸壓，產(chǎn)生足夠厚的卸壓帶的目的，設(shè)計(jì)采用爆破孔和控制孔問(wèn)隔布置，如圖3所示。爆破孔直徑75mm；控制孔直徑75 mm；孔深：根據(jù)具體情況而定，以穿透己。；煤層至己15煤層至己16~己17煤層底板為準(zhǔn)；爆破孔問(wèn)距根據(jù)計(jì)算及實(shí)測(cè)影響半徑而定，定為5m；鉆孔俯角應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況而定，以保證相鄰鉆孔交錯(cuò)穿至下方巷道上、下幫與頂板的交接處。
2。3鉆孔施工
平煤十二礦己。，一31010工作面高位巷深孔控制爆破剖面示意如圖4所示。爆破孔在巖石中采用水力排粉，在煤層中采用風(fēng)力排粉。孔口捕塵器除塵或使用水幕，水管灑水降塵，控制孔亦采用上述方法。采用以下方法解決塌孔問(wèn)題：①在布孔時(shí)盡可能增大空問(wèn)距，避免打孔中因震動(dòng)等原因?qū)е滤?；②盡可能縮短打爆破孔與裝藥工序間隔時(shí)間，打完爆破孔后立即裝藥；③打鉆過(guò)程中要用穩(wěn)定的風(fēng)壓盡量將孔內(nèi)煤粉排凈，避免成孔后再用高壓風(fēng)吹孔；④適當(dāng)縮小裝藥管外徑。
2．4裝藥與封孔工藝
深孔控制爆破由于爆破孔都比較長(zhǎng)，為了安全起爆，其裝藥結(jié)構(gòu)要與普通淺孔爆破不同，采用
PVC套管輔助裝藥，孔內(nèi)敷設(shè)導(dǎo)爆索、雙炮頭，孔深30～50 m，裝藥長(zhǎng)度分別為2，4，6，8，10m，每個(gè)炮頭安裝2個(gè)雷管，每5卷藥為一組。距離孔口的1~1．5 m處使用水泥混合黃土封孔，布 置為正向起爆結(jié)構(gòu)，如圖5所示。
3效果分析
1)排放瓦斯情況。深孔控制卸壓爆破后，從 瓦斯涌出情況來(lái)看，爆破孔及臨近孔瓦斯涌出量增 加明顯，說(shuō)明工作面橫斷面上產(chǎn)生了明顯的破碎圈 帶，增加了煤體的裂隙，使爆破段煤體中的高壓瓦斯得以充分排放。
2)爆破前后實(shí)測(cè)參數(shù)對(duì)比。爆破孔內(nèi)外兩側(cè)的觀測(cè)孔在爆破前后瓦斯參數(shù)由圖6看出，深孔控制卸壓爆破起到了良好的卸壓、防突作用。
3)松動(dòng)爆破影響半徑。通過(guò)深孔松動(dòng)爆破實(shí)驗(yàn)濃度變化記錄表和散點(diǎn)圖可知，松動(dòng)爆破的影響 范圍在6 m左右，為達(dá)到更好的松動(dòng)爆破效果．每隔10 m進(jìn)行一次深孔松動(dòng)爆破。
4)運(yùn)輸巷掘進(jìn)情況。掘進(jìn)面夾鉆，噴孔等問(wèn)題得到緩解，少數(shù)鉆孔局部鉆進(jìn)時(shí)只有微量煤屑噴出，運(yùn)輸巷平均掘進(jìn)速度由2006年3--5月份的32 m／月提高到78 m／月，施工安全得到保障．巷道變形程度明顯減弱，頂板和周邊礦壓減小。
在突出煤層具有沖擊地壓危險(xiǎn)的掘進(jìn)工作面 實(shí)施深孔松動(dòng)爆破卸壓技術(shù)后，煤、巖體中爆破段形成了破碎圈帶和松動(dòng)圈帶，使原始高地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，沿巷道向煤體前方和運(yùn)輸巷兩幫深孳尊
移；同時(shí)提高了煤層透氣性，使高壓瓦斯加速排放，降低了瓦斯壓力，減少了突出勢(shì)能；可有效防治煤與瓦斯突出和沖擊地壓，達(dá)到安全、快速掘進(jìn)目的。
參考文獻(xiàn)：
[1] 竇林名，何學(xué)秋．沖擊地壓防治理論與技術(shù)[M]徐州： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社2002．
[2] 石必明，俞啟香．低透氣性煤層深孔預(yù)裂控制松動(dòng)爆破突作用分析[J]．建井技術(shù)，2002(5)．
[3] 張宏升，胡湘宏．工程爆破技術(shù)[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2006．
[4] 呂淵，張登龍．含瓦斯煤巷掘進(jìn)超深孔松動(dòng)卸壓爆破術(shù)[J]．礦山壓力與頂板管理，2002(3)．
[5] 呂淵，徐穎．深井軟巖大巷深孔爆破卸壓機(jī)理及工程 應(yīng)用[J]．煤礦爆破，2005(4)．
作者簡(jiǎn)介：呂有廠(1964一)，男，河南淮陽(yáng)人，高級(jí)二師，工程碩士，從事煤礦通風(fēng)及安全技術(shù)研究。Tel：0375-2742223．E—mail：pr1111@163．com
