坚硬砂岩顶板深孔断顶爆破卸压技术研究.pdf

坚硬砂岩顶板深孔断顶爆破卸压技术研究张浩龙，田夫乾，张 鹤（兖矿能源集团股份有限公司 南屯煤矿，山东 济宁 273515）摘 要：93上24 工作面上方赋存坚硬巨厚砂岩组，为防止冲击地压对矿井安全生产造成影响，保障作业人员的生命安全。本文结合 93上24 工作面地质条件，设计对工作面进行 5 次面内断顶爆破。通过断顶爆破后的微震监测表明，深孔爆破断顶对弱化上覆坚硬砂岩顶板强度具有较好的效果，对减小工作面回采期间震动事件的能量等级具有一定的积极作用。关键词：坚硬砂岩；断顶爆破；钻孔布置；冲击地压中图分类号：TD324文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）06-0048-04Study on pressure relief technology of deep hole broken roof-cutting blastingin hard sandstone roofZHANG Haolong，TIAN Fuqian，ZHANG He（273515，）Abstract:There is a hard and thick sandstone group above 93 on 24 working face,in order to prevent the impact of rock burst on mine safetyproduction and ensure the life safety of workers.In this paper,combined with the geological conditions of 93 on 24 working face,five timesin-plane roof-cutting blasting are designed for the working face.The microseismic monitoring after roof-cutting blasting shows that theroof-cutting blasting by deep-hole blasting has a good effect on weakening the roof strength of overlying hard sandstone,and has a certainpositive effect on reducing the energy level of vibration events during mining in working face.Key words:hard sandstone；roof-cutting blasting；drilling arrangement；rock burst当冲击地压发生时，会突然释放大量的能量，造成人员伤亡，严重影响矿井的安全高效生产 1-2。目前，断顶爆破技术在防治冲击地压中得到了较好地应用 3-6。南屯煤矿 93上24 工作面上方赋存坚硬巨厚砂岩组（红层），为弱化工作面上方近距离坚硬顶板强度，缩短工作面上方悬顶距离，降低工作面回采期间微震能量，结合工作面地质条件及推采情况，特对工作面回采期间的面内顶板进行爆破预裂。1工作面概况南屯煤矿 93上24 为九采区东翼 3上煤不规则“梯形”工作面，地面标高+47.2+50.1 m，平均为48.7 m，工作面标高-494.2-523.2 m，平均为-508.7 m。该工作面煤层厚度平均 5.3 m，煤层倾角平均 3。工作面初始面长 163.5 m，推进约 123.5 m后开始边采边撤支架至设计停采线位置，总回采推进长度约 230 m，工作面平面图如图 1 所示。93上24 工作面上方依次为 1.4 m 细砂岩、7.25 m中砂岩、10.13 m 粗砂岩、9.07 m 中砂岩、0.5 m 中砂岩、14.5 m 粉砂岩，再往上为厚度约 450 m“红层”（坚硬巨厚砂岩组）。工作面上方近距离存在 3 层坚硬“关键层”，总厚 33.7 m，关键层 110.13 m 粗砂岩；关键层 29.07 m 中砂岩；关键层 314.5 m 粉砂岩。工作面采煤方法为综合机械化放顶煤采煤法，走向长壁式开采，全部垮落法管理顶板。图 193上24 工作面平面图2巷道掘进与支护2.1巷道掘进轨顺（西段）位置的确定主要考虑 3上F271 断层的影响，为提高生产效率，考虑工作面回采过程中刮板输送机使用单电机、简易机尾，根据矿井经验结合工作面倾角等因素，确定工作面面长不超过 165 m为宜，设计平行于九采一分区南部运输巷布置，巷道东帮距 3上F271 断层最近处平距 12 m。轨顺（东段）沿 3上F271 走向布置，巷道东帮距断层最近处平距12 m。运顺利用九采一分区南部运输巷 459.6 m，与九采一分区 3 条开拓巷道平行布置，九采一分区南2023 年第 6 期煤矿现代化第 32 卷48部运输巷原设计与 93上02 采空区（北端）留设 5 m煤柱，后期掘进过程中与采空区实际煤柱逐渐减小，调整方位后继续施工。93上24 工作面顺槽掘进采用 EBZ160 型掘进机截割落煤，采用 MQT-130/3.3 顶置式风动锚杆钻机配合 B19 中空六角形钎杆、28 mm 钻头进行顶部支护钻眼；采用 ZQS-50/300 手持式气动锚杆钻机配合 2.2 m 中空麻花钻杆、32 mm 钻头，或采用7665MZ气腿式风动凿岩机配合 B22 中空六角形钎杆、30 mm 柱齿钻头进行帮部支护钻眼。运输顺槽沿 3上煤层底板掘进，矩形锚网（索）支护，净宽 4.8 m，净高 3.5 m，作为本面进风、行人、材料运输之用。轨道顺槽沿 3上煤层底板掘进，矩形锚网（索）支护，净宽 4.8 m，净高 3.5 m，作为本面进风、行人、材料运输之用。设计切眼前帮（南端）与 93上06运输顺槽南帮重合布置，采用矩形、锚网索支护，净宽8 m，净高 3.6 m，沿 3上煤层底板掘进，切眼分导硐及扩宽 2 次施工，其中导硐为 93上06 运顺顺槽。在施工 93上24 工作面顺槽时，遇断层破碎带时，安设顶板离层观测仪，定时观测记录，根据前期井巷地压显现情况，总体地压较稳定，残余构造应力表现不明显，巷道密集区域有一定压力显现。工作面顺槽掘进时，每 100 m 设置 1 组顶板离层仪，每周观测 1 次并做好记录。如出现矿压显现现象，应及时采取措施。2.2巷道永久支护轨道顺槽支护要求：正常情况下巷道顶锚杆每排均布 6 根，间距 900 mm。帮锚杆每排每帮均布 4根，间距 950 mm。锚杆排距均为 900 mm。巷道顶锚索每排沿巷中布置 3 根，并使用 29 号 U 型钢锚索梁支护，间距 1 500 mm，排距 1 800 mm。巷道西帮每排靠肩部布置 1 根22 mm6 000 mm 锚索，允许替代靠肩部 1 根帮锚杆，自顶板往下约 1 600 mm 位置布置 1 根22 mm4 000 mm 锚索，锚索布置于相邻 2 排锚杆之间。帮锚索排距均为 2 700 mm。巷道东帮每排布置 2 根22 mm4 000 mm 锚索，其中靠肩部 1 根锚索允许替代靠肩部 1 根帮锚杆，自顶板往下约 1 600 mm 位置布置 1 根锚索，锚索布置于相邻 2 排锚杆之间。帮锚索排距均为 2 700 mm。运输顺槽支护要求：正常情况下巷道顶锚杆每排均布 6 根，间距 950 mm。帮锚杆每排每帮均布 4根，帮锚杆间距为 900 mm。锚杆排距均为 900 mm。巷道顶锚索每排沿巷中布置 2 根，间距 1 600 mm，排距 1 800 mm。巷道每帮靠肩部各布置 1 根22mm4 000 mm 锚索，排距 1 800 mm。允许替代靠肩部 1 根帮锚杆。2.3超前支护93上24 运顺采用顺槽支架配合单元式超前支架进行超前支护。采用 1 套 3 组 ZT45000/24/45 型中置式顺槽支架支护顶板，支架高度 2 4004 500mm，顺槽支架布置在转载机两侧，支护距离 20 m。顺槽支架前布置 15 组 ZQ2000/22/48B 型单元支架支护顶板，支架高度 2 2004 800 mm，单元支架间距不超过 7 m，支护距离 100 m。转载机驱动部等特殊区域无法保证安全出口时，单元支架间距不超过10 m。运顺为实体煤巷道，总超前支护距离不低于120 m。运顺顺槽支架到不采帮的距离小于 0.8 m时，采取扩帮或调整顺槽支架和转载机，保证安全出口宽度符合要求；当顺槽支架到不采帮顶板压力显现时，在架侧钢带下支设单体点柱进行支护，保证安全出口宽度符合要求。93上24 轨顺采用顺槽支架配合单元式超前支架进行超前支护。采用 1 套 3 组 ZT115200/23.5/42 型中置式顺槽支架支护顶板，支架高度为 2 3504 200mm，支 护 距 离 25 m，顺 槽 支 架 前 布 置 19 组ZQ2000/22/48A 型单元支架支护顶板，支架高度为2 2004 800 mm，单元支架间距不超过 5 m，支护距离 95 m。轨顺为实体煤巷道，轨顺总超前支护距离不低于 120 m。如受地质构造（断层）的影响顺槽局部区域压力较大，顺槽支架间的人行道宽度较小影响通风时，提前将顺槽超前支架外移，并在最后一组顺槽超前支架至机尾区域支设两路单体点柱进行支护，单体走向柱距 80050 mm，2 排支柱间人行道宽度不小于 0.8 m，钢梁上必须垫板梁或板皮接实顶板。3工作面内断顶爆破方案3.1断顶爆破位置根据工作面冲击危险宏观评价结果，工作面冲击地压发生的可能性指数=0.94，该面具备了能够发生冲击地压的应力条件。根据 93上24 工作面地质因素和开采技术因素，该工作面轨道巷道掘进期间冲击地压危险等级评定综合指数t1=0.47，具有弱冲击危险，主要影响因素为埋深、煤岩冲击倾向性、顶板岩层结构等。该工作面回采期间冲击地压危险等级评定综合指数t1=0.47，具有弱冲击危险，主要影响因素为工作面埋深、煤岩层冲击倾向性、顶板岩层结构2023 年第 6 期煤矿现代化第 32 卷49等。工作面冲击地压总体评价为弱冲击危险。为弱化工作面上方顶板应力，防止冲击地压的发生，采用断顶爆破技术对工作面回采期间的面内顶板进行爆破预裂。当工作面回采期间推采至 33.1、61.1、92、139.3、185 m 时，分别进行 5 次断顶爆破。前 4 次断顶爆破时在工作面内均匀布置 4 组断顶孔；随着工作面的回采，面长减小，第 5 次断顶爆破时在工作面内均匀布置 3 组断顶孔。工作面回采期间断顶爆破位置平面图如图 2 所示。图 2断顶爆破位置平面图3.2断顶爆破技术参数3.2.1前 4 次断顶爆破参数前 4 次工作面内均布 4 组断顶孔，每组 3 孔（编号 1-1、1-2、1-3、2-1、2-2、2-3、3-1、3-2、3-3、4-1、4-2、4-3），共 12 孔。工作面两端断顶孔距顺槽 30 m，组间距 3035 m，孔间距 3 m，工作面内断顶孔整体朝向采空区。第 1 组断顶孔位置分别为：1-1 孔布置于 90、91号架间，1-2 孔布置于 88、89 号架间，1-3 孔布置于86、87 号架间；第 2 组断顶孔位置分别为：2-1 孔布置于 68、69 号架间，2-2 孔布置于 66、67 号架间，2-3 孔布置于 64、65 号架间；第 3 组断顶孔位置分别为：3-1孔布置于 46、47 号架间，3-2 孔布置于 44、45 号架间，3-3 孔布置于 42、43 号架间；第 4 组断顶孔位置分别为：4-1 孔布置于 24、25 号架间，4-2 孔布置于 22、23号架间，4-3 孔布置于 20、21 号架间。前 4 次断顶爆破孔参数见表 1，各组相同序号的爆破孔参数均一致。前4 次断顶爆破钻孔布置剖面图如图 4 所示。表 1前 4 次断顶爆破孔参数3.2.2第 5 次断顶爆破参数第 5 次工作面内均布 3 组断顶孔（1-3 号），每组 3 孔，共 9 孔。工作面两端断顶孔距顺槽 35 m，组间距 34 m，孔间距 3 m，工作面内断顶孔整体也朝向采空区。图 3前 4 次断顶爆破钻孔布置剖面图第 1 组断顶孔位置分别为：1-1 孔布置于 67、68号架间，1-2 孔布置于 65、66#架间，1-3 孔布置于63、64 号架间；第 2 组断顶孔位置分别为：2-1 孔布于 47、48 号架间，2-2 孔布置于 45、46 号架间，2-3孔布置于 43、44 号架间；第 3 组断顶孔位置分别为：3-1 孔布置于 25、26 号架间，3-2 孔布置于 23、24 号架间，3-3 孔布置于 21、22 号架间。第 5 次断顶爆破孔参数见表 2，各组相同序号的爆破孔参数均一致。第 5 次断顶爆破钻孔布置剖面图如图 4 所示。表 2第 5 次断顶爆破孔参数图 4第 5 次断顶爆破钻孔布置剖面图3.2.3炸药选用及爆破施工工艺1）炸药选用煤矿需用瓦斯抽采水胶药柱，药柱外径 631 mm，装药线密度 3.3 kg/m，药柱质量3 30080 g。2）雷管选用煤矿许用毫秒延期电雷管 15 段爆破，毫秒延期电雷管最后一段的延期时间不超过130 ms。1-1、2-1、3-1、4-1 孔内采用 1 段电雷管，2023 年第 6 期煤矿现代化第 32 卷断顶孔编号1-1、2-1、3-11-2、2-2、3-21-3、2-3、3-3方位角/()505050倾角/()7070757080孔径/mm757575孔深/m456075封孔长度/m161616孔装药量/kg607090断顶孔编号1-1、2-1、3-1、4-11-2、2-2、3-2、4-21-3、2-3、3-3、4-3方位角/()505050倾角/()707585孔径/mm757575孔深/m456075封孔长度/m161616孔装药量/kg607090501-2、2-2、3-2、4-2 孔内采用 3 段电雷管，1-3、2-3、3-3、4-3 孔内采用 5 段电雷管。3）起爆使用 FD200D(A)煤矿用电容式联锁发爆器，发爆器必须使用具有导通功能。4）封孔采用 FKGC-2/110 封孔器配合 GC-SFK封孔材料进行封孔。5）雷管脚线采用孔内并联，孔间串联的方式。6）爆破孔采取正向装药方式。每个爆破孔采取分 2 段装药，2 个炮头，2 根母线的方式装药。装药时根据设计药量对药柱进行分段，每段药柱最下方为炮头，每个炮头安设 2 发电雷管，并采用双股2mm1.5 mm 花线引出。4效果分析4.15 次面内断顶爆破后震源位置93上24 工作面 5 次断顶爆破后震源位置如图 5所示，通过分析震源位置可知，工作面内在面内断顶爆破后，震源呈在断顶线附近分布的趋势，震源多为3 次方能量，4 次方能量基本沿断顶线分布，在第 3次断顶后出现 2 次 5 次方事件，均分布于第 1 次和第 2 次断顶线附近，同时 3 次方能量在断顶线靠轨顺侧较为集中。说明面内断顶对于弱化顶板结构，促进顶板断裂有较好的促进作用。（a）第 1 次（b）第 2 次（c）第 3 次（d）第 4 次（e）第 5 次图 593上24 工作面 5 次断顶爆破后震源位置图4.2工作面回采期间的大能量事件根据图 6 所示的 93上24 工作面回采期间微震能量趋势分析可知，断顶后推采 23 d 内，微震事件明显增多且随推采逐渐较少，特别是第 3 次和第4 次面内断顶后推采约 8 m 均出现了 5 次方大能量事件，以上现象可说明面内断顶对于降低顶板强度、促进裂隙发育、缩短顶板垮落步距有较好的效果。图 693上24 工作面回采期间微震能量趋势图5结语根据 93上24 工作面地质条件，采用深孔断顶爆破技术，在工作面回采期间进行 5 次断顶爆破，有效地弱化了坚硬砂岩顶板的强度，保障了工作面正常的安全高效回采，在防治冲击地压方面积累了宝贵的经验，该技术可在全矿进行推广应用。参考文献：1 窦林名，阚吉亮，李许伟，等.断顶爆破防治冲击矿压技术体系及效果评价研究J.煤炭科学技术，2020，48（1）：24-32.2 张建阳，宋奕铖，陈曦鹏.基于 RS2 软件深部矿井爆破断顶预卸压设计优化研究 J.煤矿现代化，2021，30（3）：130-133，137.3 王龙飞，赵燕席，王飞.断顶爆破在 4310 工作面防治冲击地压的研究和应用 J.山东煤炭科技，2021，39（10）：174-176，180，187.4 张恒军，王磊，曾柯植.东滩煤矿 63上06 工作面顶板深孔爆破断顶卸压技术应用 J.煤矿现代化，2021，30（2）：88-90，94.5 任海平.官地矿 22611 工作面停采线深孔爆破断顶卸压技术研究及应用J.中国煤炭，2018，44（4）：78-82.作者简介：张浩龙（1995-），男，河北石家庄人，助理工程师，本科，现就职于兖矿能源集团股份有限公司南屯煤矿，从事煤矿防冲技术管理工作。（收稿日期：2023-3-20）2023 年第 6 期煤矿现代化第 32 卷51