本發(fā)明屬于煤礦安全開采，尤其涉及一種高瓦斯沖擊地壓礦井孤島工作面爆破預卸壓防沖方法。

背景技術：

1、在礦井開采過程中，高瓦斯沖擊地壓礦井孤島工作面需應對沖擊地壓和高瓦斯的雙重威脅。而孤島工作面本身就是一種特殊工作面類型，由于其四周多被采空區(qū)、巷道或已開采的區(qū)域圍繞，周圍巖體失去支撐，使之應力集中現(xiàn)象較為顯著，更容易發(fā)生沖擊地壓，同時高瓦斯的威脅致使爆破方案不適合在煤層進行，煤層裂隙和孔隙中，瓦斯含量較高，容易導致大量瓦斯在短時間內(nèi)釋放，增加瓦斯聚集的風險，甚至可能引發(fā)瓦斯爆炸。且常規(guī)的爆破方案無法提前破斷至頂板的中高位堅硬巖層，因此如何提供一種新的卸壓防沖方法，能夠有效降低面臨高瓦斯、孤島工作面、開采沖擊地壓這三重威脅的礦井頂板型沖擊危險性，是本發(fā)明所需的研究方向。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種高瓦斯沖擊地壓礦井孤島工作面爆破預卸壓防沖方法，能夠有效降低面臨高瓦斯、孤島工作面、開采沖擊地壓這三重威脅的礦井頂板型沖擊危險性。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：一種高瓦斯沖擊地壓礦井孤島工作面爆破預卸壓防沖方法，具體步驟為：

3、步驟一、先識別出孤島工作面上方頂板中各堅硬巖層位置，并在各堅硬巖層中篩選出誘沖關鍵層；確定誘沖關鍵層的原因是因其在煤礦開采中影響煤體穩(wěn)定性的重要巖層。其在動靜載荷的綜合作用下，能夠誘發(fā)堅硬頂板型沖擊地壓。正確識別和確定誘沖關鍵層對于提高預警準確率和制定有效的解危措施至關重要。

4、步驟二、在步驟一確定的誘沖關鍵層內(nèi)沿垂直于孤島工作面的推進方向施工多條等間距的頂板預裂卸壓巷；相鄰頂板預裂卸壓巷的間距根據(jù)爆破孔的爆破范圍確定，頂板預裂卸壓巷的數(shù)量根據(jù)孤島工作面推進總長度及地質(zhì)條件確定。

5、步驟三、在步驟二的每條頂板預裂卸壓巷內(nèi)兩幫分別朝向兩側(cè)巖體施工多個爆破孔且各個爆破孔均平行于孤島工作面的推進方向；所述爆破孔的直徑根據(jù)巖石性質(zhì)和爆破裝藥量確定，常規(guī)孔徑范圍為42mm～100mm；在同一幫相鄰爆破孔的間距根據(jù)爆破孔的粉碎區(qū)半徑和裂隙區(qū)半徑確定；并根據(jù)孤島工作面情況確定爆破孔的孔深及裝藥量。

6、步驟四、對每個爆破孔根據(jù)孔深劃分成多段，且將每個爆破孔的裝藥量根據(jù)分段數(shù)量均分成多份，對每個爆破孔按照從最深至孔口各個分段的順序依次進行裝藥爆破，通過分段爆破精確控制每次爆破的能量釋放，同時分段爆破在時間和空間上實現(xiàn)連續(xù)卸壓，有效釋放誘沖關鍵層的應力，從而降低頂板型沖擊危險性。

7、步驟五、通過應力在線監(jiān)測技術對步驟二至四施工過程中孤島工作面應力變化進行監(jiān)測，并利用微震監(jiān)測來評估頂板預裂卸壓巷的卸壓效果，如達到卸壓要求，則完成該孤島工作面預卸壓施工，從而降低頂板型沖擊危險性；如否，則重復步驟四再次對每個爆破孔進行分段式爆破，直至該孤島工作面的預卸壓效果達到卸壓要求，完成預卸壓施工。

8、進一步，所述步驟一中堅硬巖層的判別具體如下：

9、q(n+1)m＜q(n)m(1)

10、式中：q(n+1)m為第n+1層巖層對第m層巖層的載荷，單位為千帕(kpa)；q(n)m為第n層巖層對第m層巖層的載荷，單位為千帕(kpa)；

11、當?shù)趎+1層巖層對第m層巖層的載荷小于第n層巖層對第m層巖層的載荷時，則確定第n層巖層為堅硬巖層；

12、在各堅硬巖層中篩選出誘沖關鍵層具體如下：

13、

14、式中：c為沖擊能量比，堅硬巖層破斷后煤體破壞釋放的總能量與煤體最小沖擊能的比值；rt為堅硬巖層極限抗拉強度，單位為兆帕(mpa)；h為堅硬巖層厚度，單位為米(m)；e為堅硬巖層彈性模量，單位為兆帕(mpa)；q為堅硬巖層上覆載荷，單位為千帕(kpa)；h為震源距煤層的距離，單位為米(m)；η為衰減指數(shù)；ec為煤體變形積聚彈性能，單位為千焦(kj)；e0為煤體發(fā)生沖擊破壞的最小能量，單位為千焦(kj)；

15、按照上式對各堅硬巖層的沖擊能量比c進行計算，將沖擊能量比c≥1的堅硬巖層作為誘沖關鍵層。

16、進一步，所述步驟二中相鄰頂板預裂卸壓巷的間距應不小于爆破孔裂隙區(qū)半徑，以避免頂板預裂卸壓巷之間的爆破范圍重疊；各條頂板預裂卸壓巷的長度根據(jù)孤島工作面的寬度確定。

17、進一步，所述步驟二中頂板預裂卸壓巷的數(shù)量具體確定公式如下：

18、

19、式中：n為頂板預裂卸壓巷的數(shù)量，單位為個；lg為孤島工作面長度，單位為米(m)；l為頂板預裂卸壓巷之間的間距，單位為米(m)。

20、進一步，所述步驟三中同一幫相鄰爆破孔的間距x具體確定如下：

21、間距x受爆破影響范圍的影響，因此需要計算爆破孔裝藥爆破后的粉碎區(qū)半徑和裂隙區(qū)半徑；采用耦合裝藥的方式，粉碎區(qū)半徑計算如下：

22、

23、裂隙區(qū)半徑計算如下：

24、

25、式中：rc為粉碎區(qū)半徑，單位為毫米(mm)；rp為裂隙區(qū)半徑，單位為毫米(mm)；b為徑向應力和切向應力的比值；st為誘沖關鍵層巖石單軸抗拉強度，單位為兆帕(mpa)；ρm為誘沖關鍵層巖石的密度，單位為公斤/米3(kg/m3)；dm為縱波的波速，單位為米/秒(m/s)；ρ0為炸藥密度，單位為公斤/米3(kg/m3)；d為炸藥爆速，單位為米/秒(m/s)；rb為爆破孔半徑，單位為毫米(mm)；α為應力波衰減指數(shù)；rc為裝藥直徑，單位為毫米(mm)；σc為煤巖體的單軸抗壓強度，單位為兆帕(mpa)；b為經(jīng)驗系數(shù)；μ為泊松比；

26、間距x的確定需確保爆破孔爆破后所形成的破壞區(qū)(粉碎區(qū)和裂隙區(qū))相互貫通，以便使相鄰爆破孔連接形成完全的卸壓帶；因此間距x取值需要大于粉碎區(qū)半徑rc和裂隙區(qū)半徑rp之和，但是爆破孔間距過大則不能實現(xiàn)裂隙區(qū)的貫通，達不到理想的卸壓效果；爆破孔間距較小，會出現(xiàn)過度卸壓，造成施工成本的浪費，由于爆破產(chǎn)生的粉碎區(qū)半徑rc通常小于裂隙區(qū)半徑rp，因此將間距x取2倍的裂隙區(qū)半徑rp效果最優(yōu)。

27、進一步，所述步驟三中頂板預裂卸壓巷兩幫布設的爆破孔以頂板預裂卸壓巷中心對稱分布。

28、進一步，所述步驟三中爆破孔的孔深根據(jù)誘沖關鍵層的厚度、巖石性質(zhì)、應力集中區(qū)范圍以及現(xiàn)場試驗結(jié)果綜合確定；爆破孔的裝藥量根據(jù)誘沖關鍵層的巖層層位、厚度、強度及高度綜合確定，確保每次爆破的能量能夠形成足夠的卸壓范圍。

29、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明先篩選確定孤島工作面頂板中的誘沖關鍵層，在誘沖關鍵層中布置頂板預裂卸壓巷，并對頂板預裂卸壓巷的布設參數(shù)根據(jù)地質(zhì)條件采用特定方式進行確定，這種方式能有效減小誘沖關鍵層積聚的彈性變形能，實現(xiàn)一次卸壓；接著從頂板預裂卸壓巷內(nèi)向誘沖關鍵層內(nèi)施工多個爆破孔，并根據(jù)地質(zhì)條件采用特定方式計算確定爆破孔的布設排列間距、孔深及裝藥量，最后對各爆破孔按照孔深進行分段，對每個爆破孔按照從最深至孔口各個分段的順序依次進行裝藥爆破，通過分段爆破精確控制每次爆破的能量釋放，同時分段爆破在時間和空間上實現(xiàn)連續(xù)卸壓，有效釋放誘沖關鍵層的應力實現(xiàn)二次卸壓；本發(fā)明通過頂板預裂卸壓巷的一次卸壓及爆破孔分段爆破的二次卸壓相互協(xié)同，從而有效降低了面臨高瓦斯、孤島工作面、開采沖擊地壓這三重威脅的礦井頂板型沖擊危險性，保障了后續(xù)對高瓦斯沖擊地壓礦井孤島工作面的安全開采。