关于爆破卸压技术在深部煤层昕治油击地压中应用的探索

作者：张毅

    随着采煤深度的增加，煤岩体的垂直应力增大，矿压分布规律显现异常复杂，致使越来越多的煤矿动力灾害事故发生。深部冲击地压主要发生在巷道的掘进和回采期间，巷道承受不同应力的耦合作用，很容易在巷道周围积聚能量，当受到采动应力的扰动，就会发生破坏程度不同的冲击地压事故。由此可见巷道的冲击地压防治技术是深部矿井安全生产需要解决的重要问题之一。经过大量工程实践得出，爆破卸压技术简单有效，能够有效释放煤体内积聚的弹性能，减缓煤岩体内应力集中，能够达到防治冲击地压的目的。

    唐山矿业集团开采平均深度达到1000 m，大多数工作面处于应力集中区域，开采时受到各个方向应力的叠加作用，产生较大的冲击弹性能，冲击地压动力灾害频繁发生，对矿井开采造成较大影响。为此以Y486工作面为对象，在对爆破卸压原理认知的基础上，采用数值模拟方法直观分析了工作面冲击地压危险区域爆破前后集中应力和能量积聚的情况，并在工程中进一步验证了爆破卸压技术防治冲击地压的可靠性和实用性，也体现了爆破卸压技术在冲击地压防治方面的优势。

1  工作面概况

    唐山煤矿Y486工作面位于岳胥区，为8 #、9 #合区煤层工作面，开采深度- 775～- 1025 m，平均深度900 m，已大大超过冲击地压临界深度。8#、9 #合区煤层厚度在9～11 m，均厚9.8 m，煤层倾角16°～37°，平均25。。煤层含l～2层夹石，厚度在0. 1～1.2 m左右；局部复合顶板发育，由1～2层煤线和砂质泥岩构成，厚度0. 1～1.2 m之间，易冒落。

    工作面顶板由1.1 m厚的砂质泥岩和3.4 m厚的粉砂岩组成，底板由1.2 m的碳质泥岩和7.8 m厚的粉砂岩组成。由此可看出，工作面基本顶较坚硬，能够积聚较大的冲击弹性能，在采掘扰动下易发生冲击地压。

2爆破卸压作用及原理

    在具有冲击倾向性的煤岩体中积聚大量弹性能，尤其是在工作面开采时，工作面及上下两巷更容易积聚能量，利用爆破卸压技术可以将积聚能量向煤体深部转移，达到防治冲击地压的目的。

2.1  爆破卸压作用

    煤层爆破卸压是用爆破的方法减缓其应力集中和能量积聚程度，达到卸压解危的目的。爆破卸压能够同时减弱或消除冲击地压发生的强度条件和能量条件；对煤岩体进行弱化处理，降低其强度，预防冲击地压的发生；煤层强度弱化后，使得应力高峰区和能量积聚区向煤体深部转移，并降低应力集中程度；在监测到有冲击危险的区域时，加大装药量进行爆破，释放大量的爆破能，人为地诱发冲击地压，使冲击地压发生在适合的时间和地点，从而避免更大的冲击危险。

2.2爆破卸压原理

    爆破卸压属于内部爆破，主要作用是使煤层产生大量裂隙。爆破卸压前后支承压力曲线分布如图1所示，曲线①是爆破前支承压力分布，在煤壁处应力高度集中；曲线②是爆破后支承压力分布，进行钻孔爆破后，冲击波首先破坏煤体，然后爆生气体进一步使煤体破裂，由于气压的作用，形成切向拉应力，产生径向拉破坏。当裂隙前端的应力强度因子小于断裂韧性时，裂隙停止发生。裂隙和 孔缝的存在，导致煤体弹性模量减小，强度降低，积聚的能量减少，破坏了应力显现发生的强度条件和能量条件，使弹性能向煤体深部转移，降低了巷道周围的应力集中和能量积聚。

3  爆破卸压数值模拟研究

    采用RFPA数值模拟软件对爆破前后巷道周围的应力分布和能量转移情况进行模拟。RFPA主要模拟脆性介质的破坏过程，并采用均质度描述介质的非均质性，符合煤岩体的破坏本质。爆破卸压的原理就是改变煤岩体的均质度，来达到降低煤体强度的目的。因此使用RFPA模拟分析爆破卸压前后危险区域的应力集中程度和能量转移情况，能够直观分析和确定冲击地压危险程度，为开采时的冲击地压防治打下基础。

3.1  模型建立

    模型网格划分成100×200个单元网格，代表50 m×100 m，即每一个单元格代表0.5 m。模型上方加载均布载荷，由于煤层采深较大，且该模型受到采空区和塑性区的影响，所以在y方向施加压力要小于其实际压力，即加载20 MPa，X方向加零位移约束，计算步数为3步（不包括步中步），采用自重加载方式。将模型视为二维问题，建立平面应变力学模型。在计算模型中，对模型两侧施加水平方向位移约束，限制其水平位移；底边则限制垂直及水平两个方向的位移。岩石力学参数假定符合Weibull分布，岩石破裂采用库仑摩尔强度准则判断。

3.2数值模拟结果对比分析

    (l)爆破卸压前。模拟在未受到爆破卸压时巷道的应力分布及能量积聚情况，图2 (a)、  (b)、(c)分别为巷道的主应力图、声发射图和垂直应力分布图。

从图2 (a)、(b)能够看出未进行爆破时巷道周围煤体的破坏情况，由于巷道右侧为采空区，处于完全的破坏状态，而巷道的左侧是实体煤，故煤体的上覆岩层支承压力全部转移到巷道左侧煤体上，巷道受到上覆岩层的集中应力作用，在巷道周围积聚大量弹性能，尤其是靠煤壁侧巷道出现大幅度破坏，且主应力明显大于其他区域；由于巷道靠煤壁侧能量大，声发射主要集中在巷道左侧边缘部位，且比较密集，发生冲击地压的可能性较大。由图2 (c)可知，巷道左侧垂直应力出现高度集中，在超前煤壁6m处（每个单元格0.5 m）达到最大支承压力，最大值达到36 MPa，是原岩应力的1.8倍，峰值影响区距离巷道7～8 m，随着煤体的破坏，应力逐步向煤体深部转移并在20 MPa上下浮动，达到稳定状态，与理论计算所得出的垂直应力相符合。

    (2)爆破卸压后。对巷道进行爆破卸压模拟，即减小巷道左侧煤体的均质度，增加煤体中节理、裂隙和孔洞的数量，得到图3 (a)、(b)、(c)模拟巷道爆破卸压后的应力分布、声发射积聚及垂直应力分布情况。

    由图3 (a)可知，对巷道左侧进行爆破卸压后，巷道周围岩体的应力明显降低，随着煤体内部结构的松散，应力逐渐向内部转移，破坏程度主要集中在煤体内部，而巷道边缘处与爆破前相比，破坏程度有所减小，巷道的完整性保存较好；由图3(b)可知，巷道边缘部位声发射不明显，密集程度不高，声发射主要集中在煤体深部，密集程度高，说明能量由于爆破作用向煤体爆破区域转移，从而保护巷道；图3 (c)显示，随着载荷的增大，应力峰值逐步向煤体深部转移，由距煤壁6m处增加到距煤壁17 m左右，而爆破区域的应力在5 MPa上下，可见，爆破卸压使巷道边缘处应力降低并向煤体内部转移，达到卸压效果。这说明爆破卸压对煤岩体造成了损伤破坏，释放了巷道附近围岩积聚的弹性应变能，对前方的煤岩体也起到了松散作用，从而解除了冲击地压发生所具备的强度条件和能量条件，防止冲击地压的发生。

4爆破卸压技术的工程应用

    在Y486工作面开采前或距开采煤壁200 m时要完成对回风巷冲击地压危险区域的爆破卸压工作。在危险区域每隔8m布置一个爆破卸压钻孔，按具体情况增减钻孔间距，孔径42 mm;钻孔深度8．0 m;钻孔斜向上3。～5。，钻孔距离底板1.2 m;每孔填药量为Zm，共4个500 mm药卷，每两个药卷连接一个雷管，共2个雷管。爆破卸压具体参数见图4所示。

    对回风巷危险区域进行爆破卸压处理后使用钻屑法检验解危效果，在爆破钻孔之间打孔称取煤粉量，取部分检测钻孔（图4中I、Ⅱ、Ⅲ位置的孔）进行数据处理。钻孔直径42.0 mm，孔深7．0m，间距8.0 m，孔距底板1.2 m左右，单排布   置，钻孔方向为水平垂直巷帮。根据煤粉量大小判断冲击地压的危险程度。卸压后钻屑法监测的煤粉量见表1，煤粉量均远远小于冲击地压危险临界值（临界值根据现场经验得出为3.5 kg/m），说明工作面回风巷的冲击危险得以消除。

5  结论

    (1)通过对爆破卸压原理的研究，分析了工作面爆破卸压前后巷道煤壁处的应力分布及能量积聚状态，从理论上解释了爆破后应力集中程度及峰值范围的变化规律，集中应力及能量通过爆破作用向煤体深部转移，降低了煤壁处积聚的弹性能。

    (2)利用RFPA有限元数值模拟方法研究了巷道爆破卸压前后的应力大小和声发射情况，通过对比分析，得出爆破卸压使得应力峰值向煤壁深部转移了10 m左右，扩大了低应力区的范围，转移了积聚的冲击能，保护了巷道的完整性，所得模拟结果与实际相符，说明数值模拟方法对研究冲击地压爆破卸压具有一定指导意义。

(3)根据工作面的具体应用，验证了爆破卸压技术对冲击地压危险的减弱和消除作用，并通过钻屑法检验了卸压效果，消除了冲击地压的危险性，保证了工作面的安全开采。

6  摘  要  以唐山矿Y484工作面为例，采用爆破卸压技术对巷道进行了冲击地压防治技术的研究。在对工作面具体地质条件及冲击倾向性分析的基础上，研究了爆破前后工作面上覆岩层的应力分布情况，并结合RFPA数值模拟对比爆破卸压前后煤体的集中应力分布和能量转移范围。试验证明爆破卸压使煤体应力峰值向煤体深部转移了10 m左右，降低了巷道煤壁侧的冲击地压危险。并在工作面成功应用了爆破卸压技术，取得了较好的卸压效果。