淺析煤層卸壓爆破在沖擊地壓厚煤層掘進巷道施工的作用

石高遠

（龍煤股份公司鶴崗分公司峻德煤礦掘進一區(qū)，黑龍江 鶴崗 154111）

隨著峻德煤礦開采深度不斷增加，在三水平北3層、9層、17層煤層都先后有沖擊地壓現(xiàn)象的發(fā)生，嚴重威脅我礦安全生產(chǎn)。沖擊地壓的動力現(xiàn)象不只在采煤工作面發(fā)生，還在煤巷掘進時顯現(xiàn)。峻德煤礦掘進一區(qū)9103隊施工三水平北17層三、四區(qū)一段回風巷，當時由于對沖擊地壓認識不夠，沒有采取預(yù)防措施，于2010年11月17日、2011年1月11日在回風巷變平點35米-90米范圍內(nèi)發(fā)生二次較大的礦壓沖擊，之后為防止三水平北17層三、四區(qū)一段回風巷掘進期間發(fā)生沖擊地壓，向前施工采取了煤層爆破卸壓，以消除或減緩沖擊危險，有控制地釋放煤層內(nèi)部集中應(yīng)力，收到較好的效果。

1 工作面概況

本區(qū)位于三水平北17層三、四區(qū)一段；煤層賦存穩(wěn)定以塊狀亮煤為主，含少量暗煤，走向185°～195°，傾角 27°～32°。煤層厚 8.21m-12.94m，煤層直接頂為4.0～7.0m的灰色細砂巖，以石英長石為主，含少量黑色礦物，老頂為30～40m的淺灰、灰白色中、細砂巖，以石英、長石為主，底板為4.0～7.0m的凝灰質(zhì)粉砂巖，與上覆11層間距140～170m，與下伏21層間距60～70m。北部回風巷設(shè)計長度為985米，與上段（二水平北17層三四區(qū)三段機道）煤柱傾斜最小距7—8米，最大25米，北部回風巷施工245米至265米時過二水平北17層三、四區(qū)分區(qū)煤柱，兩側(cè)均為上段停采放頂線，屬高應(yīng)力集中區(qū)域，為沖擊地壓重點防預(yù)區(qū)域和危險區(qū)域。

2 采用煤層卸壓爆破方式及參數(shù)

2.1 三水平北17層一段北部回風巷施工采用邊卸壓邊掘進

煤層卸壓爆破孔布置：在場子頭距巷道底板0.8米、距下幫1米、3米，間距2米、按施工中心方向坡度0度向前施工2個煤層卸壓爆破孔，長度不小8米，距巷道底板0.3米、距下幫1米、2.5米，間距1.5米、按-25度向下施工2個，長度6米；下幫：距巷道底板0.5米，每間隔5米沿煤層傾角向施工1個卸壓爆破孔，長度6米；場子頭每次卸壓距離8米，場子允許向前施工4米，場子必須在卸壓范圍內(nèi)施工。

2.2 當防沖大隊采用KBD5便攜式電磁輻射儀、鉆屑法監(jiān)測到場子頭有沖擊危險時，對該區(qū)域上幫、底板及下幫采取煤層卸壓爆破方法進行處理。

迎頭：距巷道底板0.3米、距下幫1米、間距0.9米、按-25度向下施工4個卸壓爆破孔，長度6米。

距巷道底板0.8米、距下幫1米、間距0.9米、按施工中心方向坡度0度向前施工4個卸壓爆破孔，長度不小8米。

上幫：距巷道底板0.5米，每間隔5米按-10度施工1個卸壓爆破孔，長度8米。

下幫：距巷道底板0.5米，每間隔5米沿煤層傾角向下幫施工1個卸壓爆破孔，長度6米。

2.3 煤層卸壓爆破孔用10米煤套釬子打，套釬子每套10根，每根1米。釬子頭直徑42mm，卸壓孔直徑42mm。

2.4 卸壓爆破孔每孔裝藥量為3kg（長度6米的為2kg），每5管火藥用一個引藥、正向裝藥、孔內(nèi)并聯(lián)。

2.5 裝藥時用六棱釬子桿作炮棍，但前端接一根0.7米長的6分膠管用以絕緣。

2.6 封孔使用3個水炮泥，水炮泥以外用粘土或黃土炮泥封實不得小于1.0米。

2.7 放炮前，工作面所有人員必須全部撤出，并設(shè)專人警戒，警戒距離距放炮地點半徑不小于150米，躲炮時間不少于40分鐘。

3 煤層卸壓爆破的形式

煤層卸壓爆破是在已確認具有沖擊危險的區(qū)域或有沖擊地壓傾向的煤層，通過對煤體實施爆破，以達到解除沖擊危險的一種沖擊地壓防治措施和手段。

煤層卸壓爆破按施工作用可分為煤層松動爆破、煤層卸壓爆破和煤層誘發(fā)爆破三種形式。

3.1 煤層松動爆破是指在煤層尚未形成高應(yīng)力集中或不具有沖擊危險但預(yù)測掘進過程可能有沖擊危險的煤層實施爆破，以改變煤體的物體力學性質(zhì)，從而使得煤層沖擊危險性降低，避免煤體中彈性能的過于積聚，以防止沖擊地壓的發(fā)生。

3.2 煤層卸壓爆破是對已形成沖擊危險的區(qū)域煤層進行爆破，使煤體中的應(yīng)力集中程度下降，煤體中支承壓力峰值位置向煤體深部轉(zhuǎn)移，從而降低沖擊危險性。

3.3 煤層誘發(fā)爆破是對具有較高沖擊危險性的煤層實施爆破，通過爆破形成的應(yīng)力波與高應(yīng)力煤體的應(yīng)力迭加，進一步增加煤體中的應(yīng)力集中程度并誘發(fā)沖擊地壓，即通過選擇合理的爆破參數(shù)、爆破時間和地點，在爆破動應(yīng)力的作用下，誘發(fā)強度可控、較小的沖擊地壓的發(fā)生，從而避免，災(zāi)害性、較大的沖擊地壓的發(fā)生。

4 煤層卸壓爆破作用機理

4.1 動力作用及效果

4.1.1 爆破的動態(tài)過程。爆破是一個極其復(fù)雜的動態(tài)過程。由鉆孔爆破學可知，鉆孔中的藥卷起爆后，爆轟波就以一定的速度向各個方向傳播，爆轟后的瞬間，爆炸氣體就已經(jīng)充滿整個鉆孔，爆炸氣體的超壓開始同時作用在孔壁上，壓力將達幾千到上萬Mpa。由于爆破過程是在瞬間完成的，爆炸氣體的壓力是以沖擊荷載的形式作用在孔壁周圍的，因此，在煤巖體內(nèi)必將產(chǎn)生沖擊波。隨著波陣面離開藥包距離的增加，其能量擴散到越來越大的區(qū)域中，直到某一區(qū)域（約2～5r0、r0為藥卷半徑）沖擊波衰減為應(yīng)力波。隨著傳播距離的增加，應(yīng)力波的能量降低，最后衰減為爆炸地震波。

4.1.2 裂隙形成原理。炸藥在煤層鉆孔中爆炸后，爆源附近的煤體因受高溫高壓的作用而壓實，強大的壓力作用，使爆破孔周圍形成壓應(yīng)力場。壓應(yīng)力作用的結(jié)果必然引起壓縮變形（壓應(yīng)變），使壓應(yīng)力場內(nèi)煤巖體產(chǎn)生徑向位移；在切向方向上將受到拉應(yīng)力作用，產(chǎn)生拉伸變形（拉應(yīng)變）。由于煤巖體的抗拉伸能力遠低于抗壓能力，故當拉應(yīng)變超過破壞應(yīng)變值時，就會在徑向上產(chǎn)生裂隙。

以上徑向裂隙、切向裂隙、剪切裂隙相互交叉、貫通并在爆炸氣體的膨脹壓力作用，向爆炸孔周圍擴展，形成一定的裂隙區(qū)域。

4.1.3 動態(tài)擾動作用。從以上分析可以看出，炸藥爆炸后，爆破孔周圍一定區(qū)域內(nèi)必將產(chǎn)生沖擊波和彈性應(yīng)力波。在裂隙區(qū)域以內(nèi)，由于沖擊波和應(yīng)力波的結(jié)果使煤巖體產(chǎn)生大量各種裂隙，使煤巖體結(jié)構(gòu)受到破壞。因此，在此區(qū)域內(nèi)可以忽略動態(tài)擾動作用。對距離爆破孔較遠的區(qū)域，即裂縫區(qū)以外區(qū)域，盡管煤巖體結(jié)構(gòu)沒有受到破壞，但由于爆炸引起的應(yīng)力波的傳播，使這部分的煤巖體獲得一定的動能，產(chǎn)生一定的動應(yīng)力。如果該部分的煤巖體在爆破前已處于嚴重的沖擊危險狀態(tài)下，那么爆破的結(jié)果就有可能引起沖擊地壓的產(chǎn)生，通常稱之為誘發(fā)爆破，實質(zhì)上這也是卸壓爆破的一種形式或效果。由此可以看出，爆破的動態(tài)擾動作用是煤層卸壓爆破防治沖擊地壓的作用之一。

4.2 靜態(tài)后果

爆破的動態(tài)過程是極其短暫的，當爆破的動態(tài)過程結(jié)束后，爆破孔周圍煤巖體將形成三個區(qū)域：破碎區(qū)（壓碎區(qū)）、裂隙區(qū)（破裂區(qū)）以及非破壞擾動區(qū)（彈性區(qū)），它們依次遠離爆腔。煤層卸壓爆破后，由于上述各區(qū)的出現(xiàn)，必將使煤巖體的承載能力降低，煤巖體的應(yīng)力重新分布，煤巖體中能量積聚與轉(zhuǎn)移規(guī)律發(fā)生改變，形成一定的卸壓區(qū)域，減弱或消除煤體的沖擊危險性。

煤層卸壓爆破的結(jié)果就是改變煤體的靜載大小，使之在一定范圍內(nèi)降低到較低水平，不足以引起沖擊地壓。

5 煤層卸壓爆破的優(yōu)、缺點

優(yōu)點：對各種生產(chǎn)地質(zhì)因素均有良好的適應(yīng)性，施工機具簡單，操作方便、實施時間和地點靈活機動，對地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件的要求不高，適合沖擊傾向煤層的廣泛應(yīng)用。

缺點：是卸壓延續(xù)時間較短，很短時間裂隙沉實，應(yīng)力還原，卸壓有效期短，在高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)加強日常監(jiān)測和及時采用其它的卸壓方法（頂板預(yù)裂爆破、大孔徑煤層卸壓孔、煤層注水等）配合。

[1]黃仲文，張德銀.高瓦斯突出煤層掘進工作面安全施工的幾點做法 [J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2001.12.10.