Blasting pressure relief technology for preventing rock burst in deep heading roadway
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摘要: 针对深部掘进巷道采用大直径钻孔卸压防治冲击地压存在卸压强度低、卸压不及时、劳动强度大等问题，以陕西彬长矿区孟村煤矿401103回撤通道为工程背景，分析了冲击地压发生主控因素，认为煤岩层强冲击倾向性、大埋深、断层构造是诱发冲击地压的主要原因：煤岩层具有强冲击倾向性使得煤岩系统具备发生冲击地压的能力；工作面埋深大导致集中静载荷水平处于高位，降低了冲击地压发生门槛；主承载区高集中静载荷叠加断层能量积聚释放的集中动载荷，极易诱发冲击启动，进而导致冲击地压显现。利用爆破卸压防治冲击地压作用表现为结构重建、应力释放及能量消耗：对掘进巷道围岩支承压力峰值区域实施爆破致裂可在巷道围岩内形成卸压保护带，从而降低煤岩冲击倾向性、削弱高集中应力、增加冲击能量消耗，达到降低冲击地压风险的目的。针对401103回撤通道提出了顶板、掘进工作面、帮部爆破卸压方案，并采用震波CT探测及微震监测对卸压防冲效果进行检验，结果表明：采用爆破卸压方案后，高应力区面积减少了50%，应力集中程度明显降低；微震事件平均能量显著下降，均小于104 J，且微震事件能量无急剧变化，卸压效果良好。Abstract: In order to solve the problems of low pressure relief intensity, untimely pressure relief and high labor intensity in the prevention and control of rock burst by using large diameter borehole pressure relief in deep heading roadway, taking the 401103 withdrawal roadway of Mengcun Coal Mine in Binchang mining area of Shaanxi Province as the engineering background, the main control factors of rock burst are analyzed. It is considered that the strong rock burst tendency, large buried depth and fault structure of coal and rock layers are the main reasons of rock burst. Coal and rock layers have strong rock burst tendency, which makes the coal rock system capable of generating rock burst. The large buried depth of the working face leads to a high level of concentrated static load, which reduces the threshold for rock burst. The high concentrated static load in the main bearing area superimposes the concentrated dynamic load released by fault energy accumulation, which can easily induce shock start and lead to the appearance of rock burst. The use of blasting pressure relief to prevent rock burst is manifested in structural reconstruction, stress release and energy consumption. The implementation of blasting cracking in the peak area of the supporting pressure of the surrounding rock of the heading roadway can form a pressure relief protection zone in the surrounding rock of the roadway, thereby reducing the tendency of coal rock burst, weakening high concentrated stress, increasing rock burst energy consumption and reducing the risk of rock burst. For the 401103 withdrawal roadway, the blasting pressure relief scheme of roof, heading face and side are proposed. And the effect of pressure relief and anti-rock burst is tested by seismic wave CT detection and micro-seismic monitoring. The results show that after adopting the blasting pressure relief scheme, the area of the high stress area is reduced by 50%, and the stress concentration is significantly reduced. The average energy of microseismic events is significantly reduced, the energy is all less than 104 J. And there is no sharp change in the energy of microseismic events and the pressure relief effect is good.
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Keywords:
- coal mining /
- deep heading roadway /
- rock burst /
- blasting pressure relief /
- microseismic monitoring /
- shock start
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0. 引言
随着我国煤炭资源开发向深部开展，深部矿井冲击地压动力灾害频次及强度剧增[1-3]。掘进巷道作业人员集中，大型机械、施工机具及钢结构支护材料集中布置[4]，一旦冲击地压发生，极易对作业人员造成强烈挤压[5-6]。另外，掘进巷道仅有单向逃生通道，强烈冲击地压可引起巷道局部闭合，将作业人员集中困于工作面附近，且通风系统遭到破坏，造成人员瓦斯窒息[7-8]。
针对深部掘进巷道冲击地压灾害问题，目前大多采用大直径钻孔卸压方式。王爱文等[9]认为煤层钻孔具有降低煤体冲击倾向、引导和控制煤体变形、增加变形能耗散的作用。贾传洋等[10]通过研究发现煤层大直径钻孔越深、孔径越大、孔间距越小，钻孔周围煤体裂缝越易扩展、连通，从而达到较好的卸压效果。李云鹏等[11]指出卸压钻孔孔径越大，卸压效果越好，但钻孔直径超过临界值后对煤体的扰动增强，并可能引发冲击地压。大直径钻孔卸压是通过高应力作用下被动塌孔形式降低高应力集中程度，对松软煤层的卸压效果较好，但存在卸压强度低、卸压不及时、劳动强度大等问题，且针对坚硬煤层的适应性较差，大直径钻孔不能及时垮塌，煤层应力未有效降低，难以有效防治冲击地压灾害。
爆破卸压通过主动致裂煤层避免高集中应力形成，具有卸压及时、卸压强度大及对地质条件适应性强等优势，可快速、有效降低煤层应力集中程度。本文以陕西彬长矿区孟村煤矿为背景，分析深部掘进巷道冲击地压发生主控因素，开展爆破卸压防治冲击地压试验，以期为类似条件的矿井冲击地压防治提供有益借鉴。
1. 工程背景
孟村煤矿位于陕西彬长矿区中西部，与胡家河、小庄井田相邻，井田面积为63.6 km2，设计生产能力为6 Mt/a，服务年限为71.3 a。401103工作面主采4号煤层，平均埋深为730 m，可采走向长度为1 849 m，倾向长度为180 m，面积为332 820 m2，401103工作面与401102工作面之间留设40 m区段煤柱。401103工作面范围内煤层整体北边厚、南边薄，厚度为20～26 m，平均煤厚为23.5 m，煤层结构简单，含0～1层夹矸，煤层倾角为−5～3°，平均倾角为−1°。顶板以粗粒砂岩、细粒砂岩为主，底板以泥岩、细粒砂岩为主，401103工作面顶底板岩层柱状图如图1所示。
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图 1 401103工作面顶底板岩层柱状图Figure 1. Histogram of roof and floor strata of 401103 working face401103工作面巷道布置如图2所示。401103回撤通道南北布置，开口位置位于401103运输巷，由北向南掘进期间受F1断层(落差30 m)构造等影响，易引发冲击地压。
401103回撤通道掘进期间微震事件丛集，诱发的高能微震事件占比增加，且单个微震事件微震能级逐渐升高，高能微震事件发生时间间隔由11 d缩短为4 d。地音监测危险等级分布如图3所示(2个地音探头编号为g5，g7)，可看出a级(正常生产)有38次，b级(正常生产，加强监测)有30次，c级(停止生产，开展解危)有50次，d级(停止生产，等待危险等级降至c级及以下后，开展解危)有54次。a级和b级次数占比为39.53%，c级和d级次数占比为60.47%，表明冲击危险性升高。
2. 冲击地压发生主控因素分析
(1) 煤岩层强冲击倾向性。煤层上分层冲击倾向性指标：动态破坏时间为72 ms，弹性能量指数为13.35，冲击能量指数为6.2，单轴抗压强度为19.37 MPa。煤层下分层冲击倾向性指标：动态破坏时间为112 ms，弹性能量指数为19.35，冲击能量指数为4.26，单轴抗压强度为26.88 MPa。顶板弯曲能量指数为20.83 kJ。根据煤岩层冲击倾向性鉴定标准，煤层具有强冲击倾向性，顶板具有弱冲击倾向性，表明煤岩系统具有发生冲击地压的能力。
(2) 大埋深。煤层埋深普遍大于600 m，超过了彬长矿区冲击地压发生的临界深度，由此带来较高的垂直应力。在采掘过程中，由于加卸荷作用，导致巷道围岩处于较高的偏应力状态，应力集中程度较高，集中静载荷水平处于高位，冲击危险性显著增强。
(3) 断层构造。断层构造影响区冲击地压发生机制如图4所示，断层诱发冲击地压过程可划分为2个阶段：工程扰动激活断层阶段和断层活化诱发冲击阶段。① 工程扰动激活断层阶段。巷道掘进至断层构造影响区内时，一方面巷道开挖形成的巷道区集中应力叠加断层区集中应力，从而形成高集中应力，使得主承载区煤体处于较高的集中静载荷水平，另一方面，巷道内掘进、扩修等工程扰动会不断影响断层行为，并激活相对稳定的断层。② 断层活化诱发冲击阶段。当断层承受载荷突破活化临界条件后，主承载区较高的集中静载荷叠加断层能量积聚释放的集中动载荷，超过煤岩系统承载能力极限，进而发生冲击启动[12-14]。
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图 4 断层构造影响区冲击地压发生机制Figure 4. Mechanism of rock burst in fault structure affected area3. 爆破卸压技术原理
对巷道围岩支承压力峰值区域实施爆破卸压，主动致裂弱化围岩，达到充分发挥围岩承载能力及控制冲击地压的目的。爆破致裂过程是一个非常复杂的化学−物理过程，炸药在孔内爆炸时，由于没有自由面，除了形成爆炸空腔外，由内向外依次形成压碎区、破裂区和震动区，如图5所示。通过爆破致裂方式对掘进巷道围岩进行弱化[15]，从而在巷道围岩内形成卸压保护带(图6)，缓和深部煤岩体的应力传递。
爆破卸压前后应力分布如图7所示。利用爆破卸压防治冲击地压作用表现为结构重建、应力释放及能量消耗。
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图 7 爆破卸压前后应力分布Figure 7. Stress distribution before and after blasting pressure relief(1) 结构重建：改变巷道近场煤岩体结构，一方面降低了冲击倾向性，另一方面扩大了主承载区范围，充分发挥围岩深部的承载能力。
(2) 应力释放：一方面降低了巷道围岩支承压力峰值，另一方面通过变形将支承压力峰值向深部转移，并释放积聚的能量，降低基础集中静载荷，从而提高冲击地压发生门槛，达到降低冲击危险的目的。
(3) 能量消耗：消耗冲击传播的能量，一旦发生冲击启动，爆破致裂分区产生的卸压保护带可作为吸能结构，形成海绵体以保护巷道，由之前的应力硬传递改变为应力软传递，大量吸收冲击能量，降低冲击对巷道的影响，达到降低冲击地压显现程度的目的。
4. 工程实践
4.1 爆破卸压方案
为保障401103回撤通道掘进期间安全，针对诱发冲击启动的动静载荷源，制定了顶板、掘进工作面、帮部爆破卸压方案。
(1) 顶板预裂爆破。针对煤层上方厚硬顶板进行深孔爆破弱化，确定煤层上方20.52 m粗粒砂岩、14.51 m细粒砂岩为弱化目标层，采用ϕ60 mm被筒炸药，每卷炸药长度为350 mm、质量为1.1 kg，线装药密度为3.14 kg/m。在401103回撤通道两顶角分别施工顶板爆破孔，单排布置，即每个钻场实施2个钻孔，如图8所示。顶板爆破孔参数：孔深为49 m，方位角分别为90，270°，倾角为75°，孔径为75 mm，装药量为60 kg，装药段长度为20 m，封孔段长度为29 m，孔间距为10 m。
(2) 掘进工作面爆破。针对掘进工作面前方应力集中区域进行煤层爆破卸压，掘进工作面爆破孔采用正三花与倒三花交替布置方式，如图9所示。采用ϕ32 mm乳化药卷，每卷炸药长度为200 mm、质量为0.2 kg，线装药密度为1 kg/m。掘进工作面爆破孔参数：孔深为10 m，方位角为180°，孔径为42 mm，装药量为5 kg，装药段长度为5 m，封孔段长度为5 m。
(3) 帮部爆破。针对巷道两帮应力集中区域进行爆破卸压，两帮爆破孔垂直于巷帮单排布置，如图10所示。采用ϕ60 mm被筒炸药，每卷炸药长度为350 mm、质量为1.1 kg，线装药密度为3.2 kg/m。帮部爆破孔参数：孔深为15 m，方位角分别为90，270°，倾角为5°，孔径为75 mm，装药量为16 kg，装药段长度为5 m，封孔段长度为10 m，孔间距为5 m。
4.2 效果检验
(1) 震波CT探测。对爆破卸压前后401103回撤通道东西两侧200 m范围开展震波CT探测，冲击危险区域分布如图11所示(波速异常指数反映煤岩体应力集中程度，波速异常指数越大，煤岩体应力集中程度越大)。可看出爆破卸压前，波速异常指数为
$[ $ 0.5，0.75)的区域分布较为集中，约为探测区域的1/3；爆破卸压后，波速异常指数为$[ $ 0.5，0.75)的区域呈零散分布，约为探测区域的1/6，高应力区面积减少了50%，探测区域应力集中程度明显降低，卸压效果显著。![]()
图 11 爆破卸压前后冲击危险区域分布Figure 11. Distribution of impact risk area before and after blasting pressure relief(2) 微震监测。爆破卸压前后401103回撤通道掘进期间微震事件平均能量变化如图12所示。可看出爆破卸压前存在高能微震事件，微震活动表现为“高能量、低频次”；采取爆破卸压措施后，无高能微震事件发生，掘进期间围岩积聚能量有序释放，微震活动表现为“高频次、低能量”，微震事件平均能量显著下降，均小于104 J，且微震事件能量无急剧变化，保障了工作面顺利掘进。
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图 12 爆破卸压前后微震事件平均能量变化Figure 12. Average energy variation of microseismic events before and after blasting pressure relief5. 结论
(1) 孟村煤矿401103回撤通道掘进期间冲击地压发生主控因素包括煤岩层强冲击倾向性、大埋深、断层构造：煤岩层具有强冲击倾向性使得煤岩系统具备发生冲击地压的能力；工作面埋深大导致集中静载荷水平处于高位，降低了冲击地压发生门槛；主承载区高集中静载荷叠加断层能量积聚释放的集中动载荷，极易诱发冲击启动，进而导致冲击地压显现。
(2) 对掘进巷道围岩支承压力峰值区域实施爆破致裂可在巷道围岩内形成卸压保护带，降低了煤岩冲击倾向性，削弱了高集中应力，增加了冲击能量消耗，从而达到降低冲击地压风险的目的。
(3) 针对401103回撤通道采取顶板、掘进工作面、帮部爆破卸压方案，并设计了合理的爆破孔参数。实施爆破卸压方案后，高应力区面积减少了50%，应力集中程度明显降低；微震事件平均能量显著下降，均小于104 J，且微震事件能量无急剧变化，卸压效果良好。
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图 1 401103工作面顶底板岩层柱状图
Figure 1. Histogram of roof and floor strata of 401103 working face
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图 4 断层构造影响区冲击地压发生机制
Figure 4. Mechanism of rock burst in fault structure affected area
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图 7 爆破卸压前后应力分布
Figure 7. Stress distribution before and after blasting pressure relief
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图 11 爆破卸压前后冲击危险区域分布
Figure 11. Distribution of impact risk area before and after blasting pressure relief
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