爆破卸壓技術在深部煤層防治沖擊地壓中的應用

宋煥虎魏 輝

（1.開灤（集團）有限責任公司唐山礦業分公司，河北省唐山市，063000；2.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266000）

爆破卸壓技術在深部煤層防治沖擊地壓中的應用

宋煥虎1魏 輝2

（1.開灤（集團）有限責任公司唐山礦業分公司，河北省唐山市，063000；2.山東科技大學礦業與安全工程學院，山東省青島市，266000）

以唐山礦Y484工作面為例，采用爆破卸壓技術對巷道進行了沖擊地壓防治技術的研究。在對工作面具體地質條件及沖擊傾向性分析的基礎上，研究了爆破前后工作面上覆巖層的應力分布情況，并結合RFPA數值模擬對比爆破卸壓前后煤體的集中應力分布和能量轉移范圍。試驗證明爆破卸壓使煤體應力峰值向煤體深部轉移了10 m左右，降低了巷道煤壁側的沖擊地壓危險。并在工作面成功應用了爆破卸壓技術，取得了較好的卸壓效果。

深部巷道 爆破卸壓 RFPA數值模擬 沖擊地壓防治

隨著采煤深度的增加，煤巖體的垂直應力增大，礦壓分布規律顯現異常復雜，致使越來越多的煤礦動力災害事故發生。深部沖擊地壓主要發生在巷道的掘進和回采期間，巷道承受不同應力的耦合作用，很容易在巷道周圍積聚能量，當受到采動應力的擾動，就會發生破壞程度不同的沖擊地壓事故。由此可見巷道的沖擊地壓防治技術是深部礦井安全生產需要解決的重要問題之一。經過大量工程實踐得出，爆破卸壓技術簡單有效，能夠有效釋放煤體內積聚的彈性能，減緩煤巖體內應力集中，能夠達到防治沖擊地壓的目的。

唐山礦業集團開采平均深度達到1000 m，大多數工作面處于應力集中區域，開采時受到各個方向應力的疊加作用，產生較大的沖擊彈性能，沖擊地壓動力災害頻繁發生，對礦井開采造成較大影響。為此以Y486工作面為對象，在對爆破卸壓原理認知的基礎上，采用數值模擬方法直觀分析了工作面沖擊地壓危險區域爆破前后集中應力和能量積聚的情況，并在工程中進一步驗證了爆破卸壓技術防治沖擊地壓的可靠性和實用性，也體現了爆破卸壓技術在沖擊地壓防治方面的優勢。

1　工作面概況

唐山煤礦Y486工作面位于岳胥區，為8#、9#合區煤層工作面，開采深度-775～-1025 m，平均深度900 m，已大大超過沖擊地壓臨界深度。8#、9#合區煤層厚度在9～11 m，均厚9.8 m，煤層傾角16°～37°，平均25°。煤層含1～2層夾石，厚度在0.1～1.2 m左右；局部復合頂板發育，由1～2層煤線和砂質泥巖構成，厚度0.1～1.2 m之間，易冒落。

工作面頂板由1.1 m厚的砂質泥巖和3.4 m厚的粉砂巖組成，底板由1.2 m的碳質泥巖和7.8 m厚的粉砂巖組成。由此可看出，工作面基本頂較堅硬，能夠積聚較大的沖擊彈性能，在采掘擾動下易發生沖擊地壓。

2　爆破卸壓作用及原理

在具有沖擊傾向性的煤巖體中積聚大量彈性能，尤其是在工作面開采時，工作面及上下兩巷更容易積聚能量，利用爆破卸壓技術可以將積聚能量向煤體深部轉移，達到防治沖擊地壓的目的。

2.1爆破卸壓作用

煤層爆破卸壓是用爆破的方法減緩其應力集中和能量積聚程度，達到卸壓解危的目的。爆破卸壓能夠同時減弱或消除沖擊地壓發生的強度條件和能量條件；對煤巖體進行弱化處理，降低其強度，預防沖擊地壓的發生；煤層強度弱化后，使得應力高峰區和能量積聚區向煤體深部轉移，并降低應力集中程度；在監測到有沖擊危險的區域時，加大裝藥量進行爆破，釋放大量的爆破能，人為地誘發沖擊地壓，使沖擊地壓發生在適合的時間和地點，從而避免更大的沖擊危險。

2.2爆破卸壓原理

爆破卸壓屬于內部爆破，主要作用是使煤層產生大量裂隙。爆破卸壓前后支承壓力曲線分布如圖1所示，曲線①是爆破前支承壓力分布，在煤壁處應力高度集中；曲線②是爆破后支承壓力分布，進行鉆孔爆破后，沖擊波首先破壞煤體，然后爆生氣體進一步使煤體破裂，由于氣壓的作用，形成切向拉應力，產生徑向拉破壞。當裂隙前端的應力強度因子小于斷裂韌性時，裂隙停止發生。裂隙和孔縫的存在，導致煤體彈性模量減小，強度降低，積聚的能量減少，破壞了應力顯現發生的強度條件和能量條件，使彈性能向煤體深部轉移，降低了巷道周圍的應力集中和能量積聚。

圖1　爆破卸壓前后支承壓力曲線分布

3　爆破卸壓數值模擬研究

采用RFPA數值模擬軟件對爆破前后巷道周圍的應力分布和能量轉移情況進行模擬。RFPA主要模擬脆性介質的破壞過程，并采用均質度描述介質的非均質性，符合煤巖體的破壞本質。爆破卸壓的原理就是改變煤巖體的均質度，來達到降低煤體強度的目的。因此使用RFPA模擬分析爆破卸壓前后危險區域的應力集中程度和能量轉移情況，能夠直觀分析和確定沖擊地壓危險程度，為開采時的沖擊地壓防治打下基礎。

3.1模型建立

模型網格劃分成100×200個單元網格，代表50 m×100 m，即每一個單元格代表0.5 m。模型上方加載均布載荷，由于煤層采深較大，且該模型受到采空區和塑性區的影響，所以在Y方向施加壓力要小于其實際壓力，即加載20 MPa，X方向加零位移約束，計算步數為3步（不包括步中步），采用自重加載方式。將模型視為二維問題，建立平面應變力學模型。在計算模型中，對模型兩側施加水平方向位移約束，限制其水平位移；底邊則限制垂直及水平兩個方向的位移。巖石力學參數假定符合Weibull分布，巖石破裂采用庫侖—摩爾強度準則判斷。

3.2數值模擬結果對比分析

（1）爆破卸壓前。模擬在未受到爆破卸壓時巷道的應力分布及能量積聚情況，圖2（a）、（b）、（c）分別為巷道的主應力圖、聲發射圖和垂直應力分布圖。

從圖2（a）、（b）能夠看出未進行爆破時巷道周圍煤體的破壞情況，由于巷道右側為采空區，處于完全的破壞狀態，而巷道的左側是實體煤，故煤體的上覆巖層支承壓力全部轉移到巷道左側煤體上，巷道受到上覆巖層的集中應力作用，在巷道周圍積聚大量彈性能，尤其是靠煤壁側巷道出現大幅度破壞，且主應力明顯大于其他區域；由于巷道靠煤壁側能量大，聲發射主要集中在巷道左側邊緣部位，且比較密集，發生沖擊地壓的可能性較大。由圖2（c）可知，巷道左側垂直應力出現高度集中，在超前煤壁6 m處（每個單元格0.5 m）達到最大支承壓力，最大值達到36 MPa，是原巖應力的1.8倍，峰值影響區距離巷道7～8 m，隨著煤體的破壞，應力逐步向煤體深部轉移并在20 MPa上下浮動，達到穩定狀態，與理論計算所得出的垂直應力相符合。

圖2　爆破卸壓前巷道模擬結果

（2）爆破卸壓后。對巷道進行爆破卸壓模擬，即減小巷道左側煤體的均質度，增加煤體中節理、裂隙和孔洞的數量，得到圖3（a）、（b）、（c）模擬巷道爆破卸壓后的應力分布、聲發射積聚及垂直應力分布情況。

由圖3（a）可知，對巷道左側進行爆破卸壓后，巷道周圍巖體的應力明顯降低，隨著煤體內部結構的松散，應力逐漸向內部轉移，破壞程度主要集中在煤體內部，而巷道邊緣處與爆破前相比，破壞程度有所減小，巷道的完整性保存較好；由圖3（b）可知，巷道邊緣部位聲發射不明顯，密集程度不高，聲發射主要集中在煤體深部，密集程度高，說明能量由于爆破作用向煤體爆破區域轉移，從而保護巷道；圖3（c）顯示，隨著載荷的增大，應力峰值逐步向煤體深部轉移，由距煤壁6 m處增加到距煤壁17 m左右，而爆破區域的應力在5 MPa上下，可見，爆破卸壓使巷道邊緣處應力降低并向煤體內部轉移，達到卸壓效果。這說明爆破卸壓對煤巖體造成了損傷破壞，釋放了巷道附近圍巖積聚的彈性應變能，對前方的煤巖體也起到了松散作用，從而解除了沖擊地壓發生所具備的強度條件和能量條件，防止沖擊地壓的發生。

圖3　爆破卸壓后巷道模擬結果

4　爆破卸壓技術的工程應用

在Y486工作面開采前或距開采煤壁200 m時要完成對回風巷沖擊地壓危險區域的爆破卸壓工作。在危險區域每隔8 m布置一個爆破卸壓鉆孔，按具體情況增減鉆孔間距，孔徑42 mm；鉆孔深度8.0 m；鉆孔斜向上3°～5°，鉆孔距離底板1.2 m；每孔填藥量為2 m，共4個500 mm藥卷，每兩個藥卷連接一個雷管，共2個雷管。爆破卸壓具體參數見圖4所示。

對回風巷危險區域進行爆破卸壓處理后使用鉆屑法檢驗解危效果，在爆破鉆孔之間打孔稱取煤粉量，取部分檢測鉆孔（圖4中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 位置的孔）進行數據處理。鉆孔直徑42.0 mm，孔深7.0 m，間距8.0 m，孔距底板1.2 m左右，單排布置，鉆孔方向為水平垂直巷幫。根據煤粉量大小判斷沖擊地壓的危險程度。卸壓后鉆屑法監測的煤粉量見表1，煤粉量均遠遠小于沖擊地壓危險臨界值（臨界值根據現場經驗得出為3.5 kg/m），說明工作面回風巷的沖擊危險得以消除。

圖4　爆破卸壓示意圖

表1　卸壓后鉆屑法監測記錄

5　結論

（1）通過對爆破卸壓原理的研究，分析了工作面爆破卸壓前后巷道煤壁處的應力分布及能量積聚狀態，從理論上解釋了爆破后應力集中程度及峰值范圍的變化規律，集中應力及能量通過爆破作用向煤體深部轉移，降低了煤壁處積聚的彈性能。

（2）利用RFPA有限元數值模擬方法研究了巷道爆破卸壓前后的應力大小和聲發射情況，通過對比分析，得出爆破卸壓使得應力峰值向煤壁深部轉移了10 m左右，擴大了低應力區的范圍，轉移了積聚的沖擊能，保護了巷道的完整性，所得模擬結果與實際相符，說明數值模擬方法對研究沖擊地壓爆破卸壓具有一定指導意義。

（3）根據工作面的具體應用，驗證了爆破卸壓技術對沖擊地壓危險的減弱和消除作用，并通過鉆屑法檢驗了卸壓效果，消除了沖擊地壓的危險性，保證了工作面的安全開采。

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（責任編輯 張毅玲）

安徽省探獲華東地區單個最大煤礦

日前，《安徽省淮南煤田潘集煤礦外圍煤炭勘查（階段）報告》通過安徽省國土資源廳組織的專家評審。此次勘查共探獲煤炭資源量47.92億t，其中包括1/3焦煤資源量25.73億t、氣煤資源量22.19億t，規模達到特大型，是目前華東地區單個最大煤礦。

Application of blasting destressing technology in preventing and controlling rock burst in deep coal seam

Song Huanhu1，Wei Hui2
（1.Tangshan Mining Branch of Kailuan Group Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei 063000，China；2.College of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266000，China）

For Y484 working face of Tangshan Mine，the research on prevention and control of rock burst was carried out with blasting distressing technology.Based on analysis of geological conditions and rock burst tendency in working face，stress distribution in overlying strata before and after blasting was researched，and the concentrated stress distribution and energy transfer range before and after blasting and stress releasing were contrasted using RFPA numerical simulation method.Tests had proved that blasting distressing technology let the position of peak stress move towards deep part of coal about 10 m，and reduced the risk of rock burst in the coal wall side.The blasting distressing technology was applied successfully in working face and achieved preferable destressing effect.

deep roadway，blasting distressing，RFPA numerical simulation，prevention and control of rock burst

TD353

A

宋煥虎（1971-），男，河北省豐寧縣人，采煤高級工程師，現任開灤（集團）唐山礦業分公司總工程師。