突出煤層掘進巷道衝擊地壓防治技術

摘 要：為了在垂深1 100 m、具有嚴重煤與瓦斯突出和衝擊地壓危險的煤層進行 安全快速掘進， 消除衝擊地壓和煤與瓦斯突出危險，應用巷道鑽孔鬆動爆破卸壓技術。通過對衝擊地壓發生機理和 鑽孔鬆動爆破卸壓理論 03manbetx ，研究了深井煤層卸壓原理，確定了巷道鑽孔鬆動爆破卸壓技術參數和 施工工藝。試驗結果表明：利用瓦斯抽排巷道對掘進煤層進行打鑽和鬆動爆破，在一定範圍使突出 煤層卸壓、排放瓦斯，可使原始高地應力場發生改變，並沿巷道掘進方向向前方煤體和巷道兩幫深 部轉移，同時提高煤層透氣性，使高壓瓦斯加速排放，減少了突出勢能，有效防治煤與瓦斯突出和 衝擊地壓。
關鍵詞：掘進巷道； 衝擊地壓；鬆動爆破
中圖分類號：TD324．2 文獻標誌碼：A 文章編號：0253—2336(2008)04—0043—04
衝擊地壓是指在巷道掘進過程中，當承受高應的瞻I生煤體或岩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象。它是一種嚴重威脅喜礦 安全生產的動力災害，具有突發性和巨大的破
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．開采條件和自然環境發生顯著變化，出現了高塑應力、高瓦斯、低滲透性和低強度煤體的現象，
爭擊地壓及瓦斯動力現象時有發生，對 安全生產造 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生一次衝擊型動力現象，拋出煤量約44 t，湧出瓦斯約1 280 m。，噸煤平均湧出瓦斯約29．1 m。。前探梁有後縮現象，所用輸送機機尾壓柱被摧斷。這種特殊動力現象給礦井 安全生產帶來嚴重的影響，並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麵的衝擊地壓與瓦斯突出問題，國內外煤炭科研人員進行了較為
廣泛的研究，先後試驗了多項卸壓、消突技術措 施，並取得了一定的消突效果。如開采保護層、區域性瓦斯預抽、超前鑽孔、深孔注水、水力衝孔、水力割縫、深孔鬆動爆破和深孔控製爆破等。


為了保證十二礦三水平以後回采準備過程中的正常安全施工，根據平煤十二礦己，，一31010工作麵地質條件，在頂板高位瓦斯抽排巷道內向有衝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，實施鑽孔鬆動爆破，使巷道周圍在前進中卸壓，從而達到防治衝擊地壓和防突的目的。

1 掘進巷道衝擊地壓發生機理03manbetx
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，該工作麵煤層賦存較穩定。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，煤層節理比較發育，煤層瓦斯含量約18～25 m3／t，掘進過程中絕對瓦斯湧出量約1．7～4 m3／min。在巷道掘進到距開口570m位置時，由於受煤層頂板數條裂隙的影響，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於瓦斯突出危險區。但從突出發生前瓦斯及突出檢驗、突出發生過 程、突出現場(無)風流痕跡、突出發生後瓦斯湧出量的變化，以及動力現象引起的巷道圍岩變形破壞特征表明，該次動力現象不是一次普通的煤與瓦斯突出。

該次動力現象位置，具備很高的原岩應力，巷道頂板為較堅硬的厚層砂質泥岩，煤層幹燥呈脆
性；己，，煤層瓦斯壓力為2．85 MPa；在高原岩應力作用下，煤岩係統積聚大量彈性能，處在掘進麵處的煤體在頂底板岩層的高應力作用下，煤層中的高瓦斯壓力使煤岩體三軸強度被消弱，具有高瓦斯壓力的煤體，使得受壓失穩極限值隨之減小，另外，掘進麵圍岩應力狀態的改變和抵抗能力的降低，使巷道圍岩係統處於極限平衡狀態，在爆破動載擾動力作用下，必然導致了動力現象。在這次動力現象中，可以明顯看出，地應力和衝擊地壓因素起主導作用。與單純的動力現象相比，複合型動力效應可能更強、更猛烈。如震動、聲響、動態過程演化可能連續數次(本此發生的衝擊型突出在躲避硐室的工人聽到連續3次脆性聲音)。因此，從條件上判斷，該段巷道符合發生衝擊地壓和煤與瓦斯突出的充要條件。從動力現象前後的現象判斷，符合衝擊地壓和煤與瓦斯共同作用下的複雜礦井動力現象的典型特征。如上述的發生02manbetx.com 前巷道頂板連續斷裂、02manbetx.com 導致的巷道頂底板及兩幫的明顯變形，部分錨索失效、金屬網和梯子梁嚴重變形，動力現蔓後煤與瓦斯的變化情況等。

根據上述03manbetx ，綜合衝擊地壓和瓦斯兩種因素，可將本次動力現象定義為：高應力作用下，以衝擊地壓為主導，衝擊地壓和煤與瓦斯共同作用的複雜礦井動力現象。也可將其稱為“衝擊地壓主導型煤與瓦斯突出”或“衝擊主導型突出”，簡單的也可以稱為“衝擊型突出”。
2衝擊地壓防治技術原理
2．1 鑽孔鬆動爆破卸壓機理^[2-3]

當炸藥在特定鑽孔內爆破時，產生高壓衝擊波和爆生氣體，致使炮孔周圍岩石過度粉碎，擴大炮孔形成空腔，即產生壓縮粉碎圈。之後，衝擊波以應力波的形式向四周放射傳播，當傳播至控製孔時，就產生應力波的完全反射，導致在爆破孔與控製孔連心線方向產生集中拉應力，從而在連心線方向開裂。然後，高壓爆生氣體以靜態壓應力場作用於裂縫表麵，使得連心線方向上又形成靜態壓應力集中，致使開裂縫能夠繼續擴展，最終在連心線方向形成貫通裂縫。因此，深孔控製卸壓爆破的結果是在爆破孔周圍產生一柱狀的壓縮粉碎圈，以及貫通爆破孔與控製孔的爆破裂縫麵。

深孔控製卸壓爆破後，引起工作麵前方岩體應力突然重新分布，導致上覆圍岩壓力發生變化，在爆破裂縫麵處產生煤岩體的剝落片及次生裂縫麵並把岩體分成2層或多層。爆破裂縫麵、壓縮粉碎圈、控製孔以及岩體內一些原始裂紋連為一體，如圖l所示。不僅使地應力釋放，使圍岩應力峰值向煤岩體深處轉移，而且還可以提高工作麵前方煤岩體的透氣性，加速岩體內瓦斯排放，瓦斯氣體得 以充分釋放。爆破段形成的破碎圈帶和鬆動圈帶，使地方

地應力峰值向煤體深部轉移，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。

由於控製孔的控製導向作用，所以深孔控製卸壓爆破的結果是在介質內部的炮孔周圍產生一柱狀的壓縮粉碎圈和一沿爆破孔與控製孔連心線方向的貫穿爆破裂縫麵，如圖2所示。貫穿爆破裂縫麵的
產生．是深孔控製卸壓爆破實現其防突作用的關鍵，其防突機理同其他局部措施也不完全相同。

2.2 鑽孔參數的確定
鑽孔的布置應遵循以下原則^[4]：①有利於形變碎圈帶和鬆動圈帶；②盡可能使爆破影響範圍大：③在保證卸壓及防突的效果下，盡可能減少孔數，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、裂隙帶和震動區，其中卸壓作用帶為破碎區和裂隙帶，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——泊鬆比，取O．26；
1-——炮孔半徑，取75 mm：
d——衰減係數，d=1．649；
S——抗拉強度，取1 MPa：
P——應力初始峰值，MPa；
r_o——裝藥半徑，取炮孔半徑；
g——炸藥密度，1．04∥cm。；
n——增大倍數；
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。根據理論計算，當炮孔半徑r取75 mm爆破後裂隙區半徑可達到2 m左右。炮孔間距a應小於兩相鄰炮孔產生的裂隙區半徑之和，即a=2R由於爆破後炮孔之間引起應力集中，有利於堅硬煤層破碎。根據以上原則，為達到充分的卸壓，產生足夠厚的卸壓帶的目的，設計采用爆破孔和控製孔問隔布置，如圖3所示。爆破孔直徑75mm；控製孔直徑75 mm；孔深：根據具體情況而定，以穿透己。；煤層至己₁₅煤層至己₁₆~己₁₇煤層底板為準；爆破孔問距根據計算及實測影響半徑而定，定為5m；鑽孔俯角應根據地質情況而定，以保證相鄰鑽孔交錯穿至下方巷道上、下幫與頂板的交接處。

2。3鑽孔施工
平煤十二礦己。，一31010工作麵高位巷深孔控製爆破剖麵示意如圖4所示。爆破孔在岩石中采用水力排粉，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，控製孔亦采用上述方法。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導致塌孔；②盡可能縮短打爆破孔與裝藥工序間隔時間，打完爆破孔後立即裝藥；③打鑽過程中要用穩定的風壓盡量將孔內煤粉排淨，避免成孔後再用高壓風吹孔；④適當縮小裝藥管外徑。

2．4裝藥與封孔工藝
深孔控製爆破由於爆破孔都比較長，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03manbetx
1)排放瓦斯情況。深孔控製卸壓爆破後，從 瓦斯湧出情況來看，爆破孔及臨近孔瓦斯湧出量增 加明顯，說明工作麵橫斷麵上產生了明顯的破碎圈 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)爆破前後實測參數對比。爆破孔內外兩側的觀測孔在爆破前後瓦斯參數由圖6看出，深孔控製卸壓爆破起到了良好的卸壓、防突作用。

3)鬆動爆破影響半徑。通過深孔鬆動爆破實驗濃度變化記錄表和散點圖可知，鬆動爆破的影響 範圍在6 m左右，為達到更好的鬆動爆破效果．每隔10 m進行一次深孔鬆動爆破。

4)運輸巷掘進情況。掘進麵夾鑽，噴孔等問題得到緩解，少數鑽孔局部鑽進時隻有微量煤屑噴出，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。

在突出煤層具有衝擊地壓危險的掘進工作麵 實施深孔鬆動爆破卸壓技術後，煤、岩體中爆破段形成了破碎圈帶和鬆動圈帶，使原始高地應力場發生改變，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衝擊地壓，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