人工解放层在冲击地压防治中的应用实践探索_张丁丁.pdf

1572023 年第 2 期张丁丁：人工解放层在冲击地压防治中的应用实践探索张丁丁：人工解放层在冲击地压防治中的应用实践探索收稿日期 2022-07-03作者简介 张丁丁（1986），男，江苏徐州人，2011 年毕业于中国矿业大学采矿工程系，学士学位，工程师，现就职于山东能源集团西北矿业冲击地压防治研究中心，主要研究方向为冲击地压灾害防治。张丁丁：人工解放层在冲击地压防治中的应用实践探索张丁丁：人工解放层在冲击地压防治中的应用实践探索人工解放层在冲击地压防治中的应用实践探索张丁丁（山东能源集团西北矿业防冲中心，陕西 咸阳 712000）摘 要 为解决煤层上方坚硬岩层问题，根据煤层上覆岩层赋存情况，确定影响冲击地压的主关键层位高度，确定高位钻场施工层位，由高位钻场施工散射状爆破钻孔至冲击地压主关键层后进行顶板爆破，破坏冲击地压关键层位的完整性，降低关键层位大面积悬顶造成的静载以及其达到极限跨距后断裂、滑移造成的动载。主关键层位爆破形成的破碎带，形成缓冲吸能带，对更高位岩层破断、滑移时产生的能量进行缓冲耗散，从而在根源上消除诱发冲击地压的能量源。关键词 冲击地压；岩层爆破；人工解放层；能量耗散中图分类号 TD324+.2 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.055Practical Exploration and Application of Artificial Liberated Layer in the Prevention and Control of Rock BurstZhang Dingding(Northwest Mining Anti-impact Center,Shandong Energy Group,Shaanxi Xianyang 712000)Abstract:In order to solve the problem of hard rock strata above the coal seam,according to the occurrence of the overlying rock strata of the coal seam,the height of the main key layer affecting the rock burst is determined,and the construction layer of the high drilling site is determined.Roof blasting is carried out after the scattered blasting borehole is drilled from the high level drilling site to the main key layer of rock burst,which destroys the integrity of the key layer of rock burst.Reduce the static load caused by the large area suspended roof of the key layer and the dynamic load caused by fracture and slip after reaching the limit span,and the broken zone formed by the blasting of the main key layer to form a buffer energy absorption zone.The energy produced by the fracture and slip of the higher rock strata is buffered and dissipated,so as to eliminate the energy source that induces rock burst at the root.Key words:rock burst;rock strata blasting;artificial liberated layer;energy dissipation1 解放层作用分析井巷煤岩体所受载荷来源主要有煤体上覆岩层自重产生的静载荷、上覆岩层运动产生的动载荷、地质构造应力及地应力释放产生的载荷等。采掘活动导致煤层所受原岩应力场发生变化1，煤层上覆岩层自重应力产生的静载，上覆岩层破断、滑移产生的动载，原始地应力以及构造应力释放2，是冲击地压事故的能量源。其中煤层上覆岩层产生的载荷，往往对冲击地压的发生起主导作用，与构造应力、地应力释放、采掘扰动等多因素叠加发生冲击，上覆坚硬厚岩层影响区域、侧向支承压力峰值区、地质构造影响区域、残留煤柱影响区等应力集中区是煤矿采掘工作面发生冲击地压的主要区域3。特别是采煤工作面沿空侧顺槽，同时受邻近采空区侧向支承压力与超前支承压力叠加，往往成为冲击地压的重灾区。对沿空顺槽周围煤岩体的载荷控制，是冲击地压治理的关键。其中开采解放保护层，对于被保护层来说，由于保护层的开采，上覆岩层垮落、破断、弯曲下沉，并随着时间的推移，上覆岩层逐步趋于稳定4，地应力及大型地质构造集聚能量得到有效释放，按照能量守恒定律，对于被保护层来说，保护层的开采形成明显应力降低区域5。根据应力释放弱面释放原理6，保护层的开挖形成岩石碎胀区域，给应力以释放空间。同时，在上覆岩破断滑移时，碎胀岩体的缓冲、吸能，防止能量1582023 年第 2 期向煤层传递造成冲击事故7。解放保护层开采是多煤层开采矿井的区域性治理措施，但如单煤层开采或者多层煤中的首个煤层上覆坚硬厚岩层，对坚硬厚岩层进行有效治理，是冲击地压的源头治理。2 人工解放层2.1 人工解放层机理分析通过对煤层上覆坚硬岩层进行高强度爆破，破坏冲击地压关键层位的完整性，降低关键层位大面积悬顶造成的静载，同时能减小冲击关键层位极限跨距，防止大面积巨厚岩层断裂、滑移造成的动载诱发冲击。爆破形成的岩层破碎带，增大垮落带高度，通过顶板碎胀，给更高位岩层提供点支撑，减小更高位岩层垮落的冲击势能释放距离，同时在高位岩层与煤层之间形成卸压缓冲带。高位岩层动作时，卸压缓冲带对岩层动作释放的能量缓冲耗散，阻断能量传递，从而从根源上解决诱发冲击的载荷问题。2.2 人工解放层施工2.2.1 施工层位确定煤层上覆坚硬岩层，是冲击地压施工的关键影响因素。上覆岩层的活动是否会引发井巷冲击，除跟岩层厚度和硬度有关外，还跟坚硬岩层与回采煤层距离有关。坚硬岩层距离采掘空间越近，其破断、滑移对采掘工作面的影响越明显8。当其与煤层达到一定距离后，其活动产生的能量事件，经下伏岩层传递，特别是经垮落破碎带耗散后，对采掘空间的影响会降低9。同样是发生 106 J 的能量事件，如果发生在距离煤层较近的岩层，会发生井巷冲击，如果能量事件发生在距离煤层较远的岩层，采掘工作面无反应，但地面会有震感。因此对于人工解放层施工层位的选择要综合考虑岩层的厚度、硬度及与煤层的距离，确定该层是否是导致冲击的关键层位，同时要综合考虑施工难易程度及经济因素。基本原则有两个：一是根据上覆岩层各层位厚度及岩性。岩层厚度越大，岩性越硬，其对冲击地压发生的影响程度越大。一般成为矿井冲击地压诱发主关键层位的岩层为厚度较大的砂岩、花岗岩。二是坚硬厚岩层距离煤层的距离。距离煤层越近，其结构发生改变时，诱发冲击的可能性越大。根据煤层开挖厚度、岩层碎胀及顶板钻孔探测，确定煤层开采后裂隙带发育高度。基于此将裂隙带内坚硬厚岩层作为人工解放层首选层。此技术试验矿井，开采煤层厚度约 8.4 m。煤层开采后，上覆岩层垮落，岩石垮落后按照 1.21.4 倍碎胀系数，计算 8.4 m 煤层开采后，其上方 2142 m 岩层垮落后，能对煤层开挖空间形成有效充填。充填后的空间与上覆岩层形成碎石点接触，形成碎胀支撑带，其更高位岩层形成岩层裂隙带。根据煤层钻孔柱状图显示，煤层顶板上方 40.060.0 m 之间赋存有厚度超过 15 m 的砂岩组。基于以上分析，最终确定，煤层上方 4060 m 范围内砂岩层为人工解放层的施工区域。2.2.2 人工解放层施工巷人工解放层层位确定后，由采煤工作面沿空侧顺槽开门施工顶板高位施工巷，由高位施工巷向主关键层施工爆破孔。高位钻场的施工，减少爆破孔工程量，降低顶板爆破孔施工难度，对于高瓦斯矿井来说，可以作为瓦斯抽排专用巷道。该条巷道邻近工作面沿空侧顺槽，经高强度爆破后，该条巷道围岩体松动，亦对上覆岩层的载荷传递阻断、耗散。因采煤工作面沿空侧顺槽为冲击地压防治重点管控区域，即人工解放层的解放区域，人工解放层施工巷道由工作面沿空侧顺槽开口，以 15仰角向煤层顶板施工设计层位（煤层顶板上方 23 m）后沿工作面顺槽方向施工至设计位置，以-15倾角施工至工作面沿空顺槽（如图 1），巷道断面以能满足钻车施工要求即可。图 1 人工解放层施工巷道示意图（m）2.2.3 施工高位岩层爆破孔在解放层施工通道内，使用定向钻机由施工通道顶板向上施工高位岩层爆破孔，高位爆破孔 10 m 一组，一组施工爆破孔 4 个，其中 3 个面向工作面内施工，1 个钻孔面向工作面沿空巷道施工。由工作面内向巷道方向分别给 4 个爆破孔编号为 1#、2#、3#、4#爆破孔，其中 1#爆破孔斜长 69 m，与水平面夹角 24；2#爆破孔斜长 43 m，与水平面夹角 40；3#顶板爆破孔斜长 28 m，与水平面夹角86。按此方位角施工后，1#、2#、3#爆破孔终孔位置水平投影分别深入工作面 63 m、33 m、25 m。4#终孔位置水平投影位于工作面沿空侧煤柱与邻近1592023 年第 2 期张丁丁：人工解放层在冲击地压防治中的应用实践探索张丁丁：人工解放层在冲击地压防治中的应用实践探索采空区交接处，如图 2。图 2 爆破孔施工示意图（m）2.2.4 高位顶板爆破施工完顶板爆破孔后，进行高位顶板爆破。爆破选用矿用被筒炸药，药卷直径 60 mm，每米装药量约为 3.14 kg，连续装药长度 21 m（能覆盖坚硬岩层厚度为下限），用炮棍将炸药送至孔底，封全孔。爆破后，采用钻孔窥视仪窥视爆破效果，根据窥视结果，调整爆破参数。爆破形成解放层后，既解决了诱发冲击地压事故的关键层位，又在高位岩层和煤层之间形成缓冲耗散区域，有效地阻断诱发冲击地压能量的产生和传播。3 效果验证3.1 煤岩体应力探测施工解放层后，利用地震波通过不同介质的能量变化情况、走时，得到地震波通过所测定介质内部波速或者衰减系数分布图。基于所得图像信息与探测对象结构、应力分布的关系，获得工作面域应力分布状态，以等值色阶图的形式，直观反映煤层所受应力状态。等值色阶图中，不同颜色代表不同的应力值，由灰白、灰色到黑色，颜色越深，代表煤体所受应力越大，其中黑色区域代表应力集中区域。CT 探测显示，工作面沿空侧巷道周围煤岩体所受应力状态明显高于实体煤侧，施工人工解放层的区域煤岩体所受应力明显低于未施工解放层区域。煤层所受应力状态示意图如图 3。图 3 煤层所受应力状态示意图（MPa）3.2 微震效果检验工作面回采期间，利用矿井微震监测系统对煤层上覆岩层运动情况进行监测，将工作面微震事件投影到工作面平面图上，得到微震事件平面分布投影图，如图 4。图中，灰白点代表能量等级在 100010 000 J 能量事件，黑色表示能量等级在1001000 J。通过对人工解放层区域与未施工人工解放层微震事件对比，得出解放层区域微震事件总能量，总频次明显低于未施工解放层解放区域，施工解放层区域以小能量微震事件为主，基本无大能量事件发生，说明煤层上覆主关键层位岩层无大面积垮落、破断、滑移，人工解放层对上覆岩层活动起到关键作用。图 4 微震事件分布示意图4 结论在充分研究冲击地压发生机理的前提下，以解决冲击地压载荷来源为治理措施，传统的煤层卸压，转移应力为主，相对被动，施工人工解放层，以根除应力