突出煤層掘進巷道沖擊地壓防治技術
關鍵詞：掘進巷道；沖擊地壓；松動爆破
中圖分類號：TD324．2 文獻標志碼：A 文章編號：0253—2336(2008)04—0043—04
沖擊地壓是指在巷道掘進過程中，當承受高應的瞻I生煤體或巖體極限平衡遭到破壞時，向自由三聞突然釋放能量的動力現(xiàn)象。它是一種嚴重威脅喜礦安全生產(chǎn)的動力災害，具有突發(fā)性和巨大的破
E性。平煤天安十二礦目前的開采深度已達到100 m，標高一775 m，隨著礦井開采深度的加大．開采條件和自然環(huán)境發(fā)生顯著變化，出現(xiàn)了高塑應力、高瓦斯、低滲透性和低強度煤體的現(xiàn)象，
爭擊地壓及瓦斯動力現(xiàn)象時有發(fā)生，對安全生產(chǎn)造 曼了嚴重威脅，如2005年6月29平煤天安十二礦三三水平回風下山發(fā)生一次沖擊型動力現(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，所用輸送機機尾壓柱被摧斷。這種特殊動力現(xiàn)象給礦井安全生產(chǎn)帶來嚴重的影響，并且隨著掘進深度的不斷增加，這種威脅將愈加嚴重。
為了有效防治掘進期間掘進工作面的沖擊地壓與瓦斯突出問題，國內(nèi)外煤炭科研人員進行了較為
廣泛的研究，先后試驗了多項卸壓、消突技術措 施，并取得了一定的消突效果。如開采保護層、區(qū)域性瓦斯預抽、超前鉆孔、深孔注水、水力沖孔、水力割縫、深孔松動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備過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巷道布置一排俯角斜孔，終點直達掘進巷道底板內(nèi)，實施鉆孔松動爆破，使巷道周圍在前進中卸壓，從而達到防治沖擊地壓和防突的目的。
1 掘進巷道沖擊地壓發(fā)生機理分析
三水平回風下山布置在己，，煤層之中，揭露層位標高在一590～一820 m，該工作面煤層賦存較穩(wěn)定。正常煤層為原生結構煤，煤的破壞類型為II～III類，局部為Ⅳ類，煤層節(jié)理比較發(fā)育，煤層瓦斯含量約18～25 m3／t，掘進過程中絕對瓦斯涌出量約1．7～4 m3／min。在巷道掘進到距開口570m位置時，由于受煤層頂板數(shù)條裂隙的影響，形成突出條帶，造成瓦斯相對富積，突出危險性增大，三水平回風下山巷道掘進位置處于瓦斯突出危險區(qū)。但從突出發(fā)生前瓦斯及突出檢驗、突出發(fā)生過 程、突出現(xiàn)場(無)風流痕跡、突出發(fā)生后瓦斯涌出量的變化，以及動力現(xiàn)象引起的巷道圍巖變形破壞特征表明，該次動力現(xiàn)象不是一次普通的煤與瓦斯突出。
該次動力現(xiàn)象位置，具備很高的原巖應力，巷道頂板為較堅硬的厚層砂質(zhì)泥巖，煤層干燥呈脆
性；己，，煤層瓦斯壓力為2．85 MPa；在高原巖應力作用下，煤巖系統(tǒng)積聚大量彈性能，處在掘進面處的煤體在頂?shù)装鍘r層的高應力作用下，煤層中的高瓦斯壓力使煤巖體三軸強度被消弱，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，掘進面圍巖應力狀態(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)，在爆破動載擾動力作用下，必然導致了動力現(xiàn)象。在這次動力現(xiàn)象中，可以明顯看出，地應力和沖擊地壓因素起主導作用。與單純的動力現(xiàn)象相比，復合型動力效應可能更強、更猛烈。如震動、聲響、動態(tài)過程演化可能連續(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雜礦井動力現(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)和梯子梁嚴重變形，動力現(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，可將本次動力現(xiàn)象定義為：高應力作用下，以沖擊地壓為主導，沖擊地壓和煤與瓦斯共同作用的復雜礦井動力現(xiàn)象。也可將其稱為“沖擊地壓主導型煤與瓦斯突出”或“沖擊主導型突出”，簡單的也可以稱為“沖擊型突出”。
2沖擊地壓防治技術原理
2．1 鉆孔松動爆破卸壓機理 [2-3]
當炸藥在特定鉆孔內(nèi)爆破時，產(chǎn)生高壓沖擊波和爆生氣體，致使炮孔周圍巖石過度粉碎，擴大炮孔形成空腔，即產(chǎn)生壓縮粉碎圈。之后，沖擊波以應力波的形式向四周放射傳播，當傳播至控制孔時，就產(chǎn)生應力波的完全反射，導致在爆破孔與控制孔連心線方向產(chǎn)生集中拉應力，從而在連心線方向開裂。然后，高壓爆生氣體以靜態(tài)壓應力場作用于裂縫表面，使得連心線方向上又形成靜態(tài)壓應力集中，致使開裂縫能夠繼續(xù)擴展，最終在連心線方向形成貫通裂縫。因此，深孔控制卸壓爆破的結果是在爆破孔周圍產(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力突然重新分布，導致上覆圍巖壓力發(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。不僅使地應力釋放，使圍巖應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圈帶，使地方
地應力峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，應力場重新分布；使瓦斯加速排放，降低了瓦斯壓力梯度，減少了突 勢能。實現(xiàn)了空間和時間的超前防護作用，從而到了卸壓及防止突出的作用。
由于控制孔的控制導向作用，所以深孔控制卸壓爆破的結果是在介質(zhì)內(nèi)部的炮孔周圍產(chǎn)生一柱狀的壓縮粉碎圈和一沿爆破孔與控制孔連心線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現(xiàn)其防突作用的關鍵，其防突機理同其他局部措施也不完全相同。
2.2 鉆孔參數(shù)的確定
鉆孔的布置應遵循以下原則[4] ：①有利于形變碎圈帶和松動圈帶；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、增大一次爆破長度。
在爆破孔周圍依次形成爆腔、破碎區(qū)、裂隙帶和震動區(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——抗拉強度，取1 MPa：
P——應力初始峰值，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D取2 200 m／s時，p=629．2 MPa．R：=1.979 6 m；當D取2 400 m／s時，p=748．8 MPa． R=2．2 m。根據(jù)理論計算，當炮孔半徑r取75 mm爆破后裂隙區(qū)半徑可達到2 m左右。炮孔間距a應小于兩相鄰炮孔產(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力集中，有利于堅硬煤層破碎。根據(jù)以上原則，為達到充分的卸壓，產(chǎn)生足夠厚的卸壓帶的目的，設計采用爆破孔和控制孔問隔布置，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；爆破孔問距根據(jù)計算及實測影響半徑而定，定為5m；鉆孔俯角應根據(jù)地質(zhì)情況而定，以保證相鄰鉆孔交錯穿至下方巷道上、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題：①在布孔時盡可能增大空問距，避免打孔中因震動等原因?qū)е滤?；②盡可能縮短打爆破孔與裝藥工序間隔時間，打完爆破孔后立即裝藥；③打鉆過程中要用穩(wěn)定的風壓盡量將孔內(nèi)煤粉排凈，避免成孔后再用高壓風吹孔；④適當縮小裝藥管外徑。
2．4裝藥與封孔工藝
深孔控制爆破由于爆破孔都比較長，為了安全起爆，其裝藥結構要與普通淺孔爆破不同，采用
PVC套管輔助裝藥，孔內(nèi)敷設導爆索、雙炮頭，孔深30～50 m，裝藥長度分別為2，4，6，8，10m，每個炮頭安裝2個雷管，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 置為正向起爆結構，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 瓦斯涌出情況來看，爆破孔及臨近孔瓦斯涌出量增 加明顯，說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)爆破前后實測參數(shù)對比。爆破孔內(nèi)外兩側的觀測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)松動爆破影響半徑。通過深孔松動爆破實驗濃度變化記錄表和散點圖可知，松動爆破的影響 范圍在6 m左右，為達到更好的松動爆破效果．每隔10 m進行一次深孔松動爆破。
4)運輸巷掘進情況。掘進面夾鉆，噴孔等問題得到緩解，少數(shù)鉆孔局部鉆進時只有微量煤屑噴出，運輸巷平均掘進速度由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的掘進工作面 實施深孔松動爆破卸壓技術后，煤、巖體中爆破段形成了破碎圈帶和松動圈帶，使原始高地應力場發(fā)生改變，沿巷道向煤體前方和運輸巷兩幫深孳尊
移；同時提高了煤層透氣性，使高壓瓦斯加速排放，降低了瓦斯壓力，減少了突出勢能；可有效防治煤與瓦斯突出和沖擊地壓，達到安全、快速掘進目的。
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作者簡介：呂有廠(1964一)，男，河南淮陽人，高級二師，工程碩士，從事煤礦通風及安全技術研究。Tel：0375-2742223．E—mail：pr1111@163．com
