顶板切顶爆破防治小煤柱冲击地压研究

顶板切顶爆破防治小煤柱冲击地压研究

高敬勇

中天合创能源有限责任公司 内蒙古自治区 鄂尔多斯市 017000

摘 要：门克庆煤矿的冲击地压类型为坚硬顶板型，为解决沿空留巷工作面基本顶悬顶长度大、时间长，应力集中程度高的问题，以3106回风巷为研究对象，在3106回风巷相邻的3104主运巷提前采用切顶预裂爆破手段弱化坚硬老顶技术，弱化顶板，减少老顶悬顶距，降低老顶活动对小煤柱掘进工作面的影响。结果表明：采用切顶爆破后，沿空掘进工作面采空区侧向岩层破断角为58°~65°，预计在顶板上方33.7m时，将稳定存在长度为19.7m的悬顶岩层；爆破后，在爆心周围形成一个较规则的椭球状裂隙发育区，其中在靠近爆破中心处裂隙发育区面积较大，可达5.73m，爆破边缘区域裂隙发育区面积较小，约为2.9m，在椭球体区域内，随着靠近爆破中心，裂隙发育区半径逐渐增大；爆破手段可在3-1煤层上方16.8m处形成角度约为78°的裂隙网，对于降低小煤柱内应力积聚，将小煤柱侧微震能量/频次峰值及应力峰值转移向实体煤一帮有积极作用。

关键词：坚硬顶板；切顶预裂爆破；破断角；裂隙发育；应力积聚

中图分类号：TP 028.8 文献标识码：A

我国煤矿以地下开采为主^［1］，开采条件相对复杂。随着煤矿开采深度、开采强度的逐年增加，冲击地压发生频率亦呈增长趋势，造成人员伤亡与经济损失日益严重^［2-3］。坚硬顶板是发生冲击地压的因素之一，坚硬顶板工作面具有覆岩强度高、整体性好等特点，回采后顶板不易自然垮落，动载系统大，开采扰动剧烈^［4-5］。采用沿空留巷时，回采后会出现基本顶悬顶时间长，悬顶长度大、巷道围岩应力集中程度高登情况，造成小煤柱生产帮长时间处于高应力状态，很容易破坏，严重影响沿空掘巷的巷道成型^［6-8］。

以门克庆煤矿3106回风巷为研究对象，在3106回风巷相邻的3104主运巷提前采用切顶预裂爆破手段弱化坚硬老顶技术，通过窥视确定顶板切顶爆破效果；分析坚硬顶板断裂结构特征。可为类型条件现小煤柱冲击地压防治提供参考。

1工作面概况

门克庆煤矿3106回风巷位于11盘区中部，东西方向布置，设计长度为3220m，北侧为回采的3104工作面，南侧为设计的3106工作面，西侧为南翼泄水巷，东侧为3-1煤南翼大巷，3106回风巷布置如图1所示，巷道岩煤层底板掘进，巷道底板标+607.126～+626.447m，平均埋深680m，与3104采空区之间留设煤柱宽度6m的小煤柱。

煤层呈黑色，条痕为褐黑色，强沥青光泽，阶梯状断口，内生裂隙较发育，常为黄铁矿及方解石薄膜充填，煤层中见黄铁矿结核，条带状结构，层状构造。煤层结构简单，一般无夹矸，煤层产状变化不大，煤层厚度在4.40～5.05 m之间，平均4.72m，较稳定。煤层普系数介于3～6之间，密度为1.30t/m³。煤层顶板以细粒砂岩为主，且厚度较大。根据3106回风巷附近钻孔柱状图将11-3104工作面顶板岩层划分如下，如表1所示。

图1 3106回风巷平面位置布置示意图

表1 3106回风巷顶板岩层结构及力学参数

2 顶板切顶爆破

2.1顶板切顶卸压爆破原理

采用切顶爆破对顶板进行爆破，人为地切断顶板，进而促使采空区顶板冒落，削弱采空区与待采区之间的顶板连续性，减少顶板来压时的强度和冲击性。

3104工作面主运巷煤柱帮顶板切顶卸压爆破即沿工作面超前一定范围煤柱侧布置深孔预裂爆破炮孔，使工作面顶板沿预定方向产生切缝，即切顶线；随着工作面的不断推进，巷道顶板将会沿着切缝垮落，实现切顶卸压的目的。如图2和图3所示，通过对比可知未切顶的巷道将会受到上覆悬臂梁的影响，巷道两帮将受到顶板压力和扭转力产生的水平推力。因此，顶板切顶卸压爆破对沿空掘巷具有积极促进作用。

图2 未顶板切顶巷道

图3 顶板切顶巷道

2.2切顶爆破设计

3104主运巷煤柱帮布置一个顶板预裂钻孔，钻孔开孔位置距煤柱帮0.8m，钻孔与煤层夹角为60°，钻孔方位与巷道夹角为0°，钻孔深度为38 m，孔径75 mm，间距8 m。3104主运巷顶板爆破孔示意图如图4和图5所示，顶板爆破炮孔参数如表4所示。

图4 3104主运巷顶板爆破剖面示意图

3104主运巷

图5 3104主运巷顶板爆破平面示意图

表2 3104主运巷煤柱帮顶板爆破炮孔参数表

3 切顶预裂爆破效果检验

3.1探查设计

综合考虑3104工作面顶板爆破孔施工位置及3106工作面微震事件分布，选取距离切眼340m处进行进行施工窥视钻孔，设计1#、2#、3#钻孔进行顶板探查和钻孔窥视，用于探查顶板预裂爆破效果，如表3所示。

表3 顶板钻孔探查与窥视方案钻孔施工参数表

3.2 探查结果

钻孔探查受现场条件影响，探查角度与设计存在部分不一致现象，钻孔具体参数见表4。

钻进结果：（1）1#孔施工至孔深13m处停止返水，判定进入裂隙带，结束钻进，垂高7.35m处悬顶4.12m。

（2）2#孔施工至17.5m处停止返水，判定进入裂隙区，结束钻进，垂高11.21m处悬顶6.44m。

（3）3#孔施工至47m处停止反水，判断进入裂隙区，垂高36.83m处悬顶22.2m。钻孔示意图见图6所示。

图6 顶板探查钻孔施工情况示意图

表4 探查钻孔施工参数表

3.3基于探查悬臂梁分析

基于3组钻孔施工参数对3104采空区侧顶板悬露情况进行判断，绘制3104采空区侧预计悬顶情况如图7所示，根据实际探查情况判断，1#、2#和3#钻孔终孔深度均小于钻孔设计深度，经测量，采空区侧低位岩层实际破断角约61°，中高位岩层实际破断角为58°，破断线位于预计的采空区侧向顶板破断线区域。该实测结果与神东、榆林等地浅埋煤层的顶板破断角实测结果接近

^［9］，表明门克庆3104工作面在采取切顶爆破后，相比无厚硬顶板灾害的矿井差别不大，3104面区域不存在厚硬顶板造成采空区侧向存在较长悬臂梁的情况。

图7 3104采空区破断角实测结果

3.4基于钻孔窥视分析

采取钻孔窥视分别对三个钻孔进行窥视，

根据窥视对钻孔完全塌落的情况进行分析，3组钻孔完全塌落的区域如图8所示。1#钻孔在11.8m处完全塌落，2#钻孔在15.8m处完全塌落，3#钻孔在43m处出现较明显裂隙区。对悬臂梁探查结果进行精细调整，可得如图9所示的窥视顶板悬臂梁结构图。可知，3106回风巷实测采空区侧向岩层破断角为58°~65°，预计在顶板上方33.7m时，将稳定存在长度为19.7m的悬顶岩层。

(a)1#孔11.8m处窥视图 (b)1#孔11.8m处展开图

(c)2#孔15.8m处窥视图 (d)2#孔15.8m处展开图

(e)3#孔43m处窥视图 (f)2#孔43m处展开图

图8 3组钻孔窥视结果

图9 窥视顶板悬臂梁结果示意图

3.5顶板卸压爆破效果分析

对所窥视钻孔所有的裂隙发育区域进行绘图分析，3组钻孔裂隙发育情况如下：

（1）1#钻孔自8.9m处出现裂隙，在9.3~9.6m、9.8~10.1m、10.4~10.6m处出现间隔较短的连续裂隙，随后顶板在11.8m处完全破断。

（2）2#钻孔在6.8~7.1m、12.2~12.5m处出现两处明显裂隙，随后钻孔在13.7m之后进入裂隙区，13.7~15.8m处裂隙明显发育，在15.8m处出现明显顶板离层，推测顶板完全断裂。

（3）3#钻孔在8.2~8.5m、10.1~10.2m处存在两条较小裂缝，随后在18.8~21.7m处出现较大范围的层间劈裂状裂缝，随后在25.5~25.6m、28.6~28.8m、31.2~31.4m处出现3处较小裂缝，钻进至32.1m时，根据钻孔岩性判断其进入2-2中煤层，钻进至36.1m时，出2-2中煤层，出2-2中煤后，在37.6~37.8m、43 m处出现较明显裂隙，推测顶板在43m后进入裂隙区。

3104主运巷顶板爆破孔的实际施工参数为：孔深30m，装药段为9~30m，封孔8m，采用二级煤矿许用乳化炸药进行爆破，炸药密度约0.95g/cm3，炸药爆速3000m/s，装药线密度为2.5kg/m，不耦合装药，药卷直径50mm，被筒63mm。施工时方位角为270°，仰角为60°，平行于巷道走向，距离煤壁1m处施工，据此得到3104面爆破孔在探查孔剖面的装药段高度为7.8~29m。3组探查孔在爆破孔剖面的相对位置如图10所示。

将全部裂隙区域、爆破孔施工参数及探查孔投影至采空区侧向剖面图中，绘制爆破后裂隙发育区范围如图11所示。

图10 3组探查孔与3104主运爆破孔相对位置

图11 爆破裂隙发育区范围示意图

由图10和图11可知：（1）3104主运爆破孔施工后，在爆心周围形成一个较规则的椭球状裂隙发育区，其中在靠近爆破中心处裂隙发育区面积较大，可达5.73m，爆破边缘区域裂隙发育区面积较小，约为2.9m，在椭球体区域内，随着靠近爆破中心，裂隙发育区半径逐渐增大。

（2）3组探查孔均位于爆破剖面的两钻孔之间，并未直接揭露爆心，3组钻孔的随机抽样结果显示，两组钻孔之间的顶板区域出现较多贯穿状裂隙，部分区域已破碎，坍塌，表明孔间爆破效果良好，顶板能得到有效弱化。

（3）在两钻孔之间区域，爆破后裂隙圈能够相互交织，形成裂隙网。裂隙发育明显充分，部分区域已松散破碎，裂隙网半径可达5.73m。该数据表明3104面所采用的8m钻孔间距较为合理。

4 切顶预裂爆破效对沿空掘进工作面的影响

根据钻孔窥视结果，3104工作面进行采空区顶板爆破后，受爆破形成的裂隙网区域影响，3104采空区侧覆岩破断角将由58°增大到78°，裂隙网控制区域为顶板上方16.8m的厚硬砂岩层。在爆破形成的裂隙网影响下，采空区侧向的低位悬顶岩层将沿煤壁切落，导致上方岩体作用的支承点前移，根据区域应力转移平衡原理，煤体内部支承压力将同样发生变化，具体体现为：（1）小煤柱上方由于直接作用的岩层重量减小，煤柱内应力降低；（2）实体煤侧煤体应力峰值将进一步向煤体深部转移，同时由于所控制岩层的厚度及高度减小，煤体应力峰值将进一步降低；（3）由于中高位岩层支承点位置的前移，基岩移动线将向实体煤侧转移，且移动角变缓，这有利于将覆岩破断所诱发的微震事件向实体煤侧转移。该转移过程及原理如图12所示。

图12 切顶爆炸对煤体应力曲线的影响示意图

根据现有钻孔窥视结果，现有爆破手段可在3-1煤层上方16.8m处形成角度约为78°的裂隙网，对于降低小煤柱内应力积聚，将小煤柱侧微震及应力峰值转移向实体煤一帮有积极作用。

5

结论

（1）经施工顶板探查钻孔，结合钻孔窥视结果，3106回风巷侧采空区侧向岩层破断角为58°~65°，预计在顶板上方33.7m时，将稳定存在长度为19.7m的悬顶岩层。

（2）3104主运巷爆破后，在爆心周围形成一个较规则的椭球状裂隙发育区，其中在靠近爆破中心处裂隙发育区面积较大，可达5.73m，爆破边缘区域裂隙发育区面积较小，约为2.9m，在椭球体区域内，随着靠近爆破中心，裂隙发育区半径逐渐增大。

（3）3组探查孔均位于爆破剖面的两钻孔之间，并未直接揭露爆心，该随机抽样结果显示，两组钻孔之间的顶板区域出现较多贯穿状裂隙，部分区域已破碎，坍塌，形成裂隙网，表明孔间爆破效果良好，顶板能得到有效弱化。

（4）3组钻孔的窥视结果表明，现有爆破手段可在3-1煤层上方16.8m处形成角度约为78°的裂隙网，对于降低小煤柱内应力积聚，将小煤柱侧微震能量/频次峰值及应力峰值转移向实体煤一帮有积极作用。

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