大型構造影響區厚煤層工作面開采斷頂預裂爆破技術研究

文/劉學征 倪慶均 趙榮學

根據山東能源新礦集團新巨龍公司8303工作面回采期間沖擊地壓主要影響因素分析結果，主要的集中靜載荷影響因素為煤層沖擊傾向性、開采深度、構造、采動應力、底煤厚度、大巷群等，在回采期間具有強沖擊危險性。為保證位于斷層群和畢垓斷層等構造應力集中區的8303工作面安全開采，通過對兩順槽及切眼頂板采取斷頂預裂爆破施工，切斷因覆巖高位巖梁關鍵層懸頂過大對采場控頂區的作用力，有效減弱了斷層群和畢垓斷層等構造影響，同時有效地控制了采場周期來壓步距，弱化了鄰近大型斷層構造區的應力集中程度，有利于工作面安全開采和控制沖擊地壓的發生，對沖擊地壓的防治具有顯著效果。

一、概況

1．工作面位置及煤層情況

8303綜放工作面位于二水平北區下山以南，東為尚未準備的8304工作面，西為畢垓斷層保護煤柱，南為F21斷層，北為二水平北區下山保護煤柱。該工作面設計走向長為573.8m，傾斜長為260m，儲量為170.7萬t，井下標高為-946.5～-993.9m。煤層平均厚度為9.0m，可采指數為1，煤厚變異系數為4.3%，為穩定煤層。煤層普氏硬度系數f=1.59，結構簡單。

2．地質賦存條件

（1）斷層構造。根據畢垓斷層東至-980m水平大巷區域三維地震勘探資料顯示，8303工作面東靠F21斷層，西鄰畢垓斷層，南部為FD16、FD17和XF56斷層帶，北部發育FD21斷層；工作面開采區域發育FD20斷層，上、下平巷實際揭露斷層4條，對工作面開采影響大的斷層1條（FD20斷層），其余斷層對工作面開采影響較小。

（2）褶曲。8303工作面位于畢垓背斜的東翼，黃堂向斜的北部，煤層整體呈西北高，東南低。

3．采煤方法

8303工作面采用綜合機械化放頂煤開采工藝，走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板；工作面3煤層厚度平均為9.0m，采高為3.8m，放煤高度為5.2m。

二、斷頂預裂參數設計

8303工作面煤層上方5～21m之間賦存有一層15.95m的細砂巖，距離煤層較近，其懸頂和斷裂均會對工作面前方帶來顯著影響；該工作面預裂層位為頂板以上15.95m的細砂巖及以上3層2～4m的細砂巖頂板，確定爆破孔進入頂板巖石垂深不小于30m。

1．切眼爆破參數

工作面切眼設計頂板預裂爆破鉆孔8個，每個孔深40m，孔徑73mm，裝藥長度19m，單孔裝藥量64.6kg。

2．上下平巷爆破參數

（1）上平巷爆破孔按間距20m設計一組，孔徑89mm。每組設計5個鉆孔，其中扇形傾向鉆孔3個，孔深分別為30m、34m、42m，仰角對應為80°、60°、45°；走向鉆孔2個，孔深分別為30m、34m，仰角對應為80°、60°；鉆孔垂深30m，其中裝藥段垂深15m，封孔段垂深15m。走向鉆孔與傾向鉆孔間距為6m、7m。

（2）下平巷爆破孔按間距20m設計1組，孔徑89mm。每組設計3個扇形傾向鉆孔，孔深分別為30m、34m、42m，仰角對應為80°、60°、45°。鉆孔垂深為30m，其中裝藥段垂深為15m，封孔段垂深為15m。

3．斷層面松動爆破

在8303上平巷導線點BL8兩側150m范圍內的斷層與上平巷上幫（西幫）交點區域，對斷層面和上下盤兩側設計鉆孔18個，進行松動爆破。

（1）斷層面松動爆破。設計鉆孔2組，每組布置鉆孔3個，仰角分別為30°、45°、60°，與小斷層面夾角為10°斜穿小斷層，孔深約為50m（穿畢垓斷層5m），孔徑為75mm；單孔裝藥量為50kg，封孔深度為1/2。

（2）斷層上、下盤松動爆破。在斷層上、下盤兩側設計鉆孔6組，間距為25m，每組布置鉆孔2個，仰角分別為45°、60°，鉆孔垂直巷幫，孔深約為50m（穿畢垓斷層5m）；單孔裝藥量為50kg，封孔深度為1/2。頂板深孔預裂爆破鉆孔布置如圖1所示。

圖1 頂板深孔預裂爆破鉆孔布置平面示意圖

三、采場圍巖破裂特征

1．8303工作面微地震事件監測分析

8303工作面共收集ARAMIS微地震事件3558個。其中，單日平均發生事件13.9個，平均釋放能量3.99×104J；單日事件最多發生72個，單日最大釋放能量16.5×104J。采場5000J以下的小能量微震事件占比大，達到85.95%。

2．鄰近工作面微地震事件對比

8303工作面采取斷頂爆破措施后，微地震事件發生3558個，同比未采取斷頂爆破措施的8301工作面增加2323個。斷頂后，8303工作面采場事件增加65.3%，其中1000J以下的小能量事件增加19%，采場能量釋放比較充分。但由于8303工作面開采受畢垓斷層、背斜等地質構造影響，104J以上的大能量事件發生66個，占比較高。

四、采場應力分布特征

8303綜放工作面KJ550沖擊地壓監測系統共安設應力監測站32組。其中，上、下平巷各安設16組，每組監測站布置2個應力測點，安設孔深分別為8m和13m，監控采場運動范圍內的煤體應力集中狀態和變化規律。

自2020年7月11日試生產以來，受工作面回采二次采動及采場釋放大能量事件影響，個別應力監測點應力值出現明顯上升現象。根據近期超前應力監測分析，上平巷超前應力明顯顯現影響距離為27.6m；下平巷超前應力明顯顯現影響距離為40.4m，主要位于超前支承壓力范圍內，影響因素為超前支承壓力、斷層和背斜構造、覆巖自重等疊加、耦合作用。

五、頂板來壓分析

1．直接頂初垮

（1）初垮步距。8303綜放工作面切眼寬度為10m，自2020年7月11日試生產，至7月26日三班，平均推采7.1m，其中上平巷推采7.6m，下平巷推采6.5m；采空區14～51#、80～140#頂煤大面積冒落，接近工作面傾斜長度的2/3，判定為工作面頂煤初垮，初垮步距為17.1m，持續影響距離為2.4m。

（2）支架工況。工作面初垮前全部支架平均工作阻力為8880.23KN，最大平均支護阻力為11630.13KN，支護強度為0.83MPa；初垮期間全部支架平均工作阻力為9747.71KN，最大平均支護阻力為13668.44KN，支護強度為0.91MPa，動載系數為1.10。

2．基本頂初次來壓

（1）來壓步距。8303工作面自2020年7月11日試生產，至8月8日三班，工作面平均推采30.1m。其中，上平巷推采25.2m，下平巷推采14.9m。由于調采不規則開采影響頂板初次來壓不充分，導致工作面分段來壓，結合支架阻力明顯增大、片幫等綜合判定工作面中上部基本頂初次來壓，來壓步距為30.1m（包括切眼寬10m），至8月11日四班平均推采25.4m，工作面中上部初次來壓結束，平均持續影響距離為5.3m。

（2）支架工況。8303工作面上部來壓期間支架平均工作阻力為10113.1KN，比來壓前增加793.4KN，支護強度為0.95MPa，動載系數為1.09；工作面平均工作阻力為9062.37KN，比來壓前增加798.6KN，支護強度為0.85MPa，動載系數為1.10，來壓期間中上部煤壁片幫。

3．基本頂周期來壓

（1）來壓步距。截至10月24日四班，8303工作面經歷6次基本頂周期來壓，平均周期來壓步距為17.1m，最大周期來壓步距為18m，平均持續影響距離為2.4m。

（2）支架工況。周期來壓前的支架平均工作阻力為10356.8KN，是支架額定工作阻力的69%；最大平均支架支護阻力為11565.9KN，是支架額定工作阻力的77.11%；支護強度為0.97MPa。

周期來壓期間的支架平均工作阻力為11624.8KN，是支架額定工作阻力的77.5%；最大平均支架支護阻力為12967.1KN，是支架額定工作阻力的86.45%；支護強度為1.08MPa，動載系數為1.14，來壓顯現略明顯。

六、基本頂來壓與爆破效果分析

選取相鄰8301工作面和6304工作面的實測基本頂來壓參數，與8303工作面采取頂板預裂爆破措施后的效果進行對比，分析確定爆破斷頂前后的基本頂來壓步距、采場釋放能量的變化規律。

1．相鄰工作面來壓步距對比

（1）基本頂初次來壓對比。根據礦井回采工作面的基本頂初次來壓統計，在未采取斷頂預裂措施的初次來壓步距一般都在50m以上，且來壓顯現不明顯。

通過鄰近8301工作面、6304工作面和8303工作面的基本頂初次來壓對比分析，未采取爆破措施的基本頂來壓步距平均在60.3m，8303工作面采取切眼斷頂和超前斷頂爆破措施后，初次來壓距離為30.1m，是非斷頂爆破工作面的0.5倍。8303工作面實施切眼斷頂爆破措施后，基本頂初次來壓步距明顯小于其他工作面的來壓步距，斷頂效果明顯。

（2）基本頂周期來壓對比。通過以上三個工作面的周期來壓參數對比分析，未采取爆破措施的基本頂周期來壓步距平均為18.1m，最大周期來壓步距為24.8m。而8303工作面采取切眼斷頂和兩巷超前斷頂爆破措施后，基本頂周期來壓步距平均為16.1m，最大周期來壓步距為18m，最大周期來壓步距是非斷頂爆破工作面的0.65倍；從目前來看，采取斷頂爆破措施后，工作面周期來壓步距均小于斷頂間距20m。

2．來壓期間支架工況對比

根據三個工作面的支架工作阻力分析看，8303工作面來壓前的支架平均工作阻力為9988.6KN，比其他兩個工作面平均工作阻力增加0.05倍；來壓期間的支架工作阻力為11115.1KN，比其他兩個工作面平均工作阻力增加0.06倍。

8303工作面斷頂爆破后的來壓前和來壓期間的支架平均工作阻力比其他工作面增量不大，從工作面支架工作阻力角度分析，斷頂爆破效果影響不大。

七、結論

1．微地震事件對比

8303工作面上下平巷和切眼采取斷頂爆破后，采場微地震事件同比增加1～2倍，單事件能量多發生在5000J以下，占比85.95%，采場小事件能量釋放更充分，有利于頂板安全管理。

2．基本頂初次來壓對比

通過鄰近工作面的基本頂初次來壓對比分析，8303工作面采取切眼斷頂和超前斷頂爆破措施后，初次來壓距離為30.1m，是未采取斷頂爆破前工作面的0.5倍左右，基本頂初次來壓步距明顯小于其他工作面的來壓步距，斷頂效果明顯。

3．周期來壓對比

通過鄰近工作面的周期來壓參數對比分析，8303工作面采取切眼斷頂和超前斷頂爆破措施后，基本頂周期來壓步距平均為16.1m，最大周期來壓步距為18m，最大周期來壓步距是非斷頂爆破工作面的0.65倍。從目前來看，采取斷頂爆破措施后，工作面周期來壓步距均小于斷頂間距20m。

4．來壓期間支架工況對比

8303工作面斷頂爆破后的來壓前和來壓期間的支架平均工作阻力比其他工作面增量不大，從工作面支架工作阻力角度分析，斷頂爆破效果影響不大。

綜上所述，對8303工作面切眼和兩巷實施斷頂爆破措施，有效減弱了斷層群和畢垓斷層等構造的影響，采空區上覆巖層冒落比較及時，有效地降低了工作面初采初放期間的采空區懸頂面積和跨度，且爆破效果比較明顯，有利于工作面的安全生產。