工作面单双巷顶板爆破应力演化规律研究

牟宗龙，张泽辉，张修峰，盖 元，庄佳鑫，史毛宁，董晓勇

(1.中国矿业大学 江苏省矿山地震监测工程实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3.山东能源集团有限公司，山东 济南 250101；4.枣庄矿业(集团)有限责任公司 田陈煤矿，山东 枣庄 277500)

坚硬顶板是诱发冲击地压的主要因素之一[1-3]，顶板爆破在冲击地压灾害防治中应用广泛[4-6]。近年来，许多专家学者对不同地质和开采条件下的顶板爆破进行了大量的研究工作[7-9]。潘一山[10]研究了煤与瓦斯突出和冲击地压二者相结合的复合动力灾害，揭示了复合动力灾害发生的统一机理，提出了瓦斯抽采与深孔爆破断顶相结合的一体化防治技术；赵伟[11]研究了深孔预裂卸压与巷内加强支护协同技术，有效地改善了围岩应力状况及巷道变形量；窦林名[12]等基于对冲击危险等级的预评估，采取分时、分区、分级断顶爆破技术体系，对工作面顶板进行处理，达到了防治冲击地压的目的；李春睿[13]针对坚硬顶板工作面初采期间大面积悬顶的问题，从理论上分析了浅孔爆破与深孔爆破的区别，提出了合理的深孔爆破参数确定方法；欧阳振华[14]以复杂地质及开采条件影响下的强冲击矿井为研究对象，在顶板、底板和煤层实施多级爆破卸压技术，分析了多级爆破卸压的防冲机理及效果；陈大勇[15]等研究了顶板超深孔爆破对巷道围岩稳定性的影响，分析了爆破时产生的应力波对巷道围岩整体结构的影响，推导出了爆炸应力波影响范围理论公式；李楠[16]研究了深孔爆破卸压过程中顶板岩层的运动规律，得出了工作面来压规律和围岩变形机理；赵善坤[17]进行了深孔顶板预裂爆破与定向水压致裂防冲适用性的对比研究，研究表明，深孔预裂爆破技术具有组织时间短、防冲见效快的特点；刘乙霖[18]等研究了大采高厚坚硬顶板巷道定向爆破切顶卸压技术，研究表明，爆破后巷道变形量小，切顶效果显著；孙秉成[19]等研究了坚硬厚顶板型煤柱冲击地压防治技术，通过现场微震数据分析，得出了顶板爆破可有效降低工作面的冲击危险程度。

综上所述，前期关于顶板爆破相关的研究内容没有区分工作面单巷或双巷，也缺少对顶板爆破高度与卸压效果之间的关系研究。本研究以田陈煤矿7202工作面为研究对象，研究了不同爆破高度下，单巷和双巷顶板爆破对围岩应力的影响规律，并通过现场微震监测情况，对比分析了不同爆破方案的卸压效果。

1 工程概况

田陈煤矿3煤层7202工作面位于七二采区，北接七二轨道下山，南侧切眼临近煤层零点边界，东侧为井田边界，西侧为实体煤。工作面采用单一走向长壁后退式采煤法，全部垮落法处理采空区，采煤工艺为综采放顶煤，工作面布置如图1所示。

图1 工作面布置Fig.1 Layout diagram of the working face

7202工作面煤层厚2.1～7.9 m，平均厚6.7 m；煤层倾角5°～11°，平均8°，埋深约806.7～848.7 m，平均827.7 m。工作面运输巷长约881 m，轨道巷长约840 m，切眼长约200 m。工作面基本顶为中细砂岩，厚9.3～18.6 m，平均14 m，f=6～8；直接底为泥岩，厚0～1.4 m，平均0.7 m，f=3～4；基本底为砂质泥岩，厚14.1～20.3 m，平均17.2 m，f=4～5。工作面综合柱状如图2所示。

图2 工作面综合柱状图Fig.2 Comprehensive column chart of the working face

经前期综合评价，该工作面存在冲击地压危险，为了降低工作面煤岩体应力和冲击危险，需对工作面采取爆破断顶措施。

2 爆破顶板层位确定

根据关键层理论[20]以及7202工作面岩层参数，计算得出工作面上覆各岩层所受载荷为：

q1=γ1h1

(1)

式中，q1为第一层岩层所受载荷，MPa；(qb)a为第a层岩层作用下第b层岩层所受载荷，MPa，以此类推；Ei为各岩层的弹性模量，MPa；hi为各岩层的厚度，m；γi为各岩层的体积力，MN/m3；i=1～4。

按两端固支梁分别计算第一层与第三层岩层的破断距。

式中，L为破断距，m；h为岩层厚度，m；RT为岩层的抗拉强度，MPa；q为岩层自重及其上载荷，MPa。

将表1中各岩层参数代入得，第一层岩层破断距L1=57.9 m，第三层岩层破断距L3=98.8 m。L1

表1 各岩层参数Table 1 Rock layer parameters

为有效降低围岩应力，在采取顶板爆破时，爆破高度应达到能切断对来压具有较大影响的亚关键层位置。下面通过数值模拟进一步分析单双巷爆破以及不同爆破高度时围岩应力的演化规律。

3 单双巷顶板爆破围岩应力演化特征

3.1 模型建立

采用FLAC模拟软件对不同爆破方案卸压效果进行计算分析。如图3所示，根据7202工作面地质和开采条件，所建模型尺寸为310 m×166 m，网格数为620×332。其中，7202工作面长度为199 m，运输巷宽6 m，轨道巷宽5 m，模型两侧留有50 m的边界煤柱，用于减少边界条件对模拟结果的影响；模型选用摩尔-库仑模型，设置大变形模式，模型埋深668 m；模型左右边界限制x方向的位移，底部边界限制x和y方向的位移；原岩应力为19.8 MPa，顶部施加垂直应力16.18 MPa，等效为上覆载荷。

图3 数值计算模型Fig.3 Numevical model diagram

由于顶板爆破防冲卸压的实质是切断顶板的完整性，可通过对顶板切缝来模拟顶板爆破[21]。根据7202工作面实际条件，本文采用宽度0.7 m的切缝模拟爆破后产生的裂隙区域，爆破孔角度为45°，朝向工作面侧。

3.2 模拟方案

为研究爆破高度和单双巷爆破对煤体应力及卸压效果的影响规律，采用不同爆破高度下的单双巷爆破方案。工作面采高为7 m，根据工作面亚关键层位置，爆破高度定为3～8倍采高(21～56 m)，其中3倍采高时达到亚关键层下部位置，6倍采高时达到亚关键层中部位置，8倍采高时达到亚关键层顶部位置。爆破断顶方案设计见表2。

表2 顶板爆破方案设计Table 2 Design of roof blasting scheme

3.3 不同爆破高度巷道围岩应力演化规律

单巷爆破时，不同爆破高度方案下巷道围岩应力、巷道变形及塑性区的变化规律如图4—图7所示。

图4 不同爆破高度巷道围岩应力分布(Pa)Fig.4 Stress contour map of surrounding rock in roadways with different blasting heights

由图4可知，未进行顶板爆破时，应力峰值位于距巷道6 m处，垂直应力为25.4 MPa，应力集中系数为1.29；爆破后，应力集中系数降低至1.1～1.2，下降约14.7%。

随着爆破高度从21～42 m变化时，对应3～6倍采高，煤体应力峰值随之降低，爆破高度从42～56 m变化时，对应6～8倍采高，应力峰值降低幅度减小。不同爆破高度方案中工作面内距巷道35 m范围内的应力分布曲线对比如图5所示。从图5中可以看出，当爆破高度超过6倍采高，即爆破孔达到亚关键层中部后，应力降低效果明显优于爆破高度未达到亚关键层中部时；爆破高度继续增加，应力降低效果提升不明显。

图5 不同爆破高度巷道围岩应力分布Fig.5 Stress distribution of surrounding rock in roadways with different blasting heights

不同爆破高度下巷道围岩塑性区分布情况如图6所示。未进行顶板爆破时，巷道围岩塑性区主要分布在两帮及顶底板，范围较大；爆破后，顶板塑性区范围增大，底板工作面侧底角区域塑性区范围减小，煤柱侧及其底角区域塑性区范围增大。随爆破高度的增加，巷道围岩塑性区分布范围整体呈现增加趋势。

图6 不同爆破高度巷道围岩塑性区分布Fig.6 Distribution of plastic zone in surrounding rock of roadways with different blasting heights

不同爆破高度下巷道围岩的变形量如图7所示。未进行顶板爆破时，巷道顶底板移近量为18.2 mm，两帮移近量为20.4 mm；爆破后，顶底板与两帮移近量增加，两者与爆破高度呈线性关系，当采用最大爆破高度(56 m)时，移近量约达到未爆破时的2倍。

图7 不同爆破高度巷道变形量Fig.7 Deformation amount in roadways with different blasting heights

顶板爆破增大了巷道围岩的塑性区范围，增加了巷道变形量，降低了峰值应力，在一定程度上，顶板爆破有利于促进围岩能量释放和降低围岩应力集中程度。

3.4 单双巷爆破煤体应力演化规律

单巷爆破与双巷爆破时工作面煤体应力演化规律如图8、图9所示。

图8 单双巷不同爆破高度工作面煤体应力分布Fig.8 Stress contour map of coal seam in the working face in single and double roadway roof blasting with different heights

图9 单双巷不同爆破高度工作面煤体应力分布曲线Fig.9 Stress distribution of coal seam in the working face in single and double roadways roof blasting with different heights

图8显示，单巷爆破时，随爆破高度增加，工作面侧煤体应力峰值降低至1.1～1.3，沿工作面实体煤方向上，峰后应力先降低后增至原岩应力；双巷爆破时，煤体应力分布与单巷爆破时类似。

图9为不同爆破高度下单双巷爆破时工作面内煤体应力分布曲线对比。可见，单巷和双巷爆破时，随爆破高度增加，工作面煤体应力降低程度增加、应力降低区范围增大；但双巷爆破时，当爆破高度超过6倍采高，即爆破孔达到亚关键层中部后，工作面中部会出现应力升高现象，中部最大应力集中系数可达1.13。

为进一步研究工作面长度对两巷顶板爆破引起的应力升高区的影响规律，选取在6倍采高爆破高度(爆破孔达到亚关键层中部)条件下，对工作面面长为150 m、200 m和250 m时的应力分布情况进行数值模拟。

不同工作面长度煤体应力分布对比情况如图10所示。当工作面长度为150 m、200 m时，工作面中部出现应力升高区，呈拱形分布状态；工作面长度为250 m时，工作面中部呈较平缓的原岩应力分布状态，未出现明显的应力升高区。

图10 不同工作面长度煤体应力分布Fig.10 Stress distribution of coal seam for different working face lengths

综上所述，单巷爆破时，爆破高度越大，巷道卸压效果越好，但超过6倍采高，即达到亚关键层中部位置后，卸压效果增加不明显；双巷爆破时，爆破高度越大，巷道卸压效果也越好，但当爆破高度超过6倍采高后，即达到亚关键层中部位置后，工作面中部会出现应力升高，应力升高区的范围及升高程度还与工作面长度有关，工作面长度越小，应力升高越明显。

因此，在进行顶板爆破方案设计时，首先要根据具体地质条件，确定爆破顶板的层位，保证爆破高度要达到亚关键层中部位置，同时要考虑单巷和双巷爆破方式对巷道卸压及工作面中部应力集中程度的综合影响，合理选择爆破高度，尽量避免形成应力集中，提高卸压效果。

4 工程实践

7202工作面回采初期，只在运输巷侧进行高度为3倍采高的单巷顶板爆破，爆破孔高度仅达到亚关键层底部位置，优化方案后，采用6倍采高爆破高度对双巷顶板进行了爆破，爆破孔达到亚关键层中部位置。优化前后爆破参数见表3。

表3 顶板爆破参数Table 3 Roof blasting parameters

如图11所示，单巷爆破时，巷道围岩卸压效果一般，微震事件多集中在巷道周围，依然存在冲击危险。当采用双巷爆破并提高爆破高度至6倍采高时，微震事件多集中在工作面中部区域，也未出现大能量微震事件，巷道冲击危险较低。

图11 工作面微震事件分布Fig.11 Microseismic events distribution of the working face

7202工作面目前已经安全回采完毕，工作面回采期间的煤体应力监测结果表明，在累计7次预警中，爆破方案优化前的回采初期就预警了5次，优化后只预警了2次。

7202工作面实践表明，类似条件的工作面如果采用单巷爆破，为提升卸压效果，在一定范围内可提高爆破高度至6倍采高或亚关键层中部位置以上，并不会造成工作面中部应力升高；而采用双巷爆破时，为避免工作面中部形成应力集中，可将爆破高度限制在6倍采高左右，即爆破孔达到亚关键层中部位置。

5 结 论

1)工作面进行低位亚关键层爆破时，在一定高度范围内，顶板爆破高度越大，围岩塑性区范围和巷道变形量越大，卸压效果越好，当爆破高度超过6倍采高，即亚关键层中部位置后，卸压效果和卸压范围增加不明显。

2)与单巷爆破相比，在采用双巷爆破时，当爆破高度超过6倍采高，即亚关键层中部位置后，工作面中部会产生应力升高区，并且爆破高度越高、工作面长度越小，工作面中部应力升高现象越明显。

3)田陈煤矿7202工作面现场实施了爆破高度为3倍采高的单巷爆破和6倍采高的双巷爆破方案，微震和应力监测对比结果表明，单巷爆破时微震事件多集中在巷道周围，且应力监测预警了5次，双巷爆破时，微震事件多转移到工作面中部，无大能量微震事件发生，应力监测预警只有2次，有效降低了巷道围岩应力，实现了工作面安全开采。