2024-02-04
（1）针对现行的钻孔爆破卸压方式存在卸压保护范围有限、卸压施工进度制约等不足，秉持源头防治、防患未然、经济高效的一体化的防冲卸压创新战略思想，提出了覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”源头防冲技术体系，针对可产生动载荷的较高位关键层，创新高位岩巷、高位钻场、爆破钻孔布置，将高位坚硬岩层超前、整体、均匀爆破预裂，从而形成“人造预裂层”。（2）高位爆破“人造预裂层”可起到三重防护效果，首先使得该高位坚硬岩层的来压步距和来压强度大幅减弱，其次也缓冲减弱了其上硬岩层向下传递的矿山压力，最后还可降低其下方硬岩层的来压步距。（3）在3409工作面首次进行了覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”技术试验，现场实测效果表明采用该方法较之常规爆破卸压区域，支架的平均来压强度、来压步距、来压持续距离和压力报警频次均减少；微震事件频次、总能量、相对大能量微震事件均大幅度减少，且密集程度显著降低。该技术可有效降低矿山压力和冲击灾害风险，是当前已有卸压方式的有力补充。覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”源头防冲技术体系及应用
作者：郝宪杰1,2,3,4，孙希奎1，唐忠义1，付鹏鑫3，罗江昊3，沈灵杰3，唐宽旭3单位：1.山东能源集团； 2. 中国矿业大学（北京） 共伴生能源精准开采北京市重点实验室； 3. 中国矿业大学（北京） 能源与矿业学院； 4. 矿业大学（北京）内蒙古研究院随着国内煤炭资源的不断开发，越来越多的矿井不断向深部开采，冲击地压的风险则不断加剧。为应对此危害，目前已有许多从冲击地压机理、矿井设计、防冲材料、防冲设备和卸压防控等方面出发的冲击地压防控手段。其中矿井设计包括开拓巷道方向的调整、开采顺序优化、煤柱宽度调整等。防冲材料和设备包括恒阻吸能锚杆、高冲击韧性强力锚杆（索）、吸能防冲立柱、稳构恒阻吸能"O型"棚支护、吸能抗冲液压支架等。卸压防控包括开采解放层卸压、钻孔爆破卸压、水力压裂卸压等。上述技术均极大推动了冲击地压防控技术的进展。其中，主动卸压防冲是落实强化煤矿冲击地压源头防治的重要措施。现行的卸压防控方式，或者采用在回采工作面平巷布爆破孔的方式（如图1所示），可向煤层或者向顶板打孔，对于防控冲击地压起到了很重要的作用，但是也存在卸压保护范围有限、卸压施工进度制约等不足等缺点，只能实现局部卸压，卸压效果受限，甚至有时可能会造成中部无法卸压的区域冲击风险增大；或者采用地面水力压裂防冲系统，具有压裂范围广、时效长等优点，但是也可能存在成本高等问题。以亭南煤矿309工作面为例，属于严重冲击地压矿井下的中等冲击危险性工作面。另外，工作区域被南玉子向斜贯穿，存在多条断层，煤层厚度变化大、局部异常破碎，地质条件复杂；此外还存在不规则区段煤柱、联络巷横穿等困难。如果采用常规煤层主动卸压方式，由于卸压范围有限，面对309工作面的复杂环境卸压效果也有限。因此，秉持源头防治、确保安全、防患未然、经济高效的一体化的防冲卸压创新战略思想，研究一种实践易行、效果显著、可全面推广的超前高位爆破人造预裂层区域卸压防冲技术，突破常规卸压方式仅能从回采巷道卸压、孔长有限导致卸压范围有限的缺点，创新高位岩巷、高位钻场、爆破钻孔布置，形成人造高位爆破预裂层，实现区域防冲卸压。该方法可作为常规煤层巷道爆破卸压和井上下地面预裂卸压体系的补充，对相似地质条件的矿井防冲具有很强的借鉴意义。主动卸压防冲是落实强化煤矿冲击地压源头治理的重要措施。现行的主动卸压防控方式，或采用回采工作面平巷布孔卸压，或采用井下原位水力压裂技术，具有卸压保护范围有限、卸压施工进度制约等不足；或采用地面水力压裂防冲系统，具有卸压范围广时效长等优点，也需要解决前期投入等。因此，秉持源头防治、防患未然、经济高效的一体化的防冲卸压创新战略思想，研究一种实践易行、效果显著、可全面推广的新型区域卸压源头防冲技术体系势在必行。本文提出了覆岩高位超前整层爆破卸压技术体系，针对可产生动载荷的较高位关键层，创新高位岩巷、高位钻场、爆破钻孔布置，将高位坚硬岩层超前、整体、均匀爆破预裂，从而形成“人造预裂层”。该方法突破了一般的长钻孔距离限制，使得岩层爆破的卸压高度、卸压范围、卸压效果均大幅提高，可形成覆盖整个工作面区域甚至多个工作面的超前工作面开采的高位“人造预裂层”。高位爆破“人造预裂层”首先使得该高位坚硬岩层的来压步距和来压强度大幅减弱，其次也缓冲减弱了其上硬岩层向下传递的矿山压力，最后还可降低其下方硬岩层的来压步距。在亭南煤业3409工作面首次进行了覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”技术试验后，现场实测效果表明采用该方法较之常规爆破卸压区域，支架的平均来压强度、来压步距、来压持续距离和压力报警频次均大幅减少；巷道深孔和浅孔应力也均减少；微震事件总能量、大能量微震事件大幅度减少，且密集程度显著降低，工作面中段的微震事件尤为稀疏；地音高能事件、震源CT获得的冲击风险区域也有减少，各种实测手段均验证了高位爆破人造预裂层卸压防冲技术的优越性。该技术可广泛地应用于受坚硬顶板影响的矿井中，尤其具有强冲击风险需要进行大范围卸压的矿井，可有效降低矿山压力和冲击灾害风险。该技术体系可作为当前已有卸压方式的有力补充。
图1 常规煤层主动卸压方案影响范围示意图
图2 高位爆破人造预裂层切面示意图
图3 高位爆破人造预裂层高位岩巷和高位钻场及爆破长钻孔布置示意图
图4 309工作面平面布置图
图5 309工作面关键层判别结果
图6 309工作面开采UDEC数值模型
图7 不进行高位爆破时与高位爆破预裂开采后的Y-位移云图
图8 不进行高位爆破时与高位爆破预裂开采后的最大主应力云图
图9 亭南煤矿309工作面高位爆破人造预裂层的钻孔布置
图11 不进行高位爆破时与高位爆破预裂开采后时的典型液压支架工作阻力图
图12 不进行高位爆破时与高位爆破预裂开采后的来压特征对比
图13 不进行高位爆破时与实施高位爆破人造预裂层后的顶板微震活动图
图14 不进行高位爆破时与实施高位爆破人造预裂层后微震震级分布图
图15 不进行高位爆破时与高位爆破预裂开采后的顶板微震b值
图16 307和309工作面常规开采期间微震能量和频次对比图
图17 307工作面与309工作面初次来压时期微震能量变化
图18 307和309工作面“一次见方”时微震能量和频次对比图
图19 高位爆破卸压范围和常规卸压范围的地音能量对比
图20 不进行高位爆破时与高位爆破预裂开采后震源CT反演结果
郝宪杰，现任共伴生能源精准开采北京市重点实验室学术办主任、能源科学与工程系主任，教授、博士生导师，获煤炭青年科技奖、全国高校矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才、中国科协青年人才托举工程、绿色矿山青年科技奖、全国煤矿支护优秀专家、全国煤矿智能化卓越青年、中国科协科技智库青年人才、北京市双百行动计划青年教师、越崎青年学者等荣誉。在国内外学术期刊发表学术论文70余篇，其中SCI/EI收录50余篇，1作ESI高被引且为热点论文2篇，主持国家自然科学基金（2项）、北京市自然科学基金（已结题并被评为优秀）、国家级外专项目、教育部产学合作协同育人项目、多个国家重点研发计划子课题、多个国家重点实验室开放基金等。
研究方向
冲击灾害的智能预警和源头防控
主要成果
长期以来围绕煤矿强矿压、冲击地压等灾害演化机理、风险判识预警与防控技术这一主线开展了深入的研究，研究了冲击灾害的关键层块度效应，分析了煤的非线性弹性特征，阐明了动静载作用下煤的抗拉力学行为和裂纹扩展特征，总结了岩层采动过程中微震的分层特征，提出了微震集中度概念，发展了矿压-地音-微震-应力的全时空多源一体化预警指标，构建了高位整层爆破”人造预裂层”冲击卸压技术体系。
孙希奎，山东能源集团总工程师、技术研究总院院长，工程技术应用研究员，北京大学遥感所博士后，山东省泰山学者特聘专家，山东省有突出贡献专家，兼任中国煤炭学会资深会员、中国煤炭学会第八届理事会副理事长、中国煤炭学会开采委员会第八届委员会副主任委员、山东煤炭协会会长，山东大学、中国矿业大学兼职教授，山东科技大学省部共建矿山岩层智能控制与绿色开采国家重点实验室培育基地学术带头人。享受国务院政府特殊津贴，荣获孙越崎能源科学技术奖。长期致力于复杂条件矿井建设、煤炭安全高效绿色智能开采等重大领域关键技术的创新与实践，参加3项国家863计划和重点研发计划，荣获国家、省部级科技奖励26项，获得专利11项，发表论文30多篇，出版专著6部，制定行业标准6项。
研究方向
煤炭智能安全开采
来源：
郝宪杰,孙希奎,唐忠义等.覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”源头防冲技术体系及应用[J/OL].煤炭学报,1-13[2024-02-04].https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2023.0430.
责任编辑：宫在芹
