胡 璞

(山西西山煤電股份有限公司官地礦,山西 太原 030022)

采區(qū)邊界附近的應(yīng)力集中和上保護(hù)層采煤過(guò)程中剩余的煤柱是導(dǎo)致沖擊地壓的根本原因，通過(guò)沖擊地壓理論分析同時(shí)根據(jù)其發(fā)生類(lèi)型及其所受的影響[1-4]提出了防治及其控制沖擊地壓的技術(shù)。沖擊地壓的預(yù)防和控制的實(shí)質(zhì)就是釋放煤層積聚的彈性勢(shì)能，從而達(dá)到消除沖擊地壓危險(xiǎn)的目標(biāo)。因此防治沖擊地壓的技術(shù)關(guān)鍵必須依據(jù)三個(gè)方面：首先需要把煤巖體的沖擊傾向性降低，其次是使得應(yīng)力峰值區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移，最后是采取一定的措施解決沖擊地壓的危險(xiǎn)，使其產(chǎn)生小規(guī)模的沖擊地壓，與此同時(shí)煤巖體中積聚的彈性能也得到了釋放。

1 工程背景

官地礦五采區(qū)3#煤層1051工作面位于廟前山東大約1250m，要子莊背面1100m處，西南大致以84-10官5號(hào)鉆孔為界，北東以原礦界為邊界，采區(qū)為一北西、南東向長(zhǎng)方形，長(zhǎng)約2km，寬約1km，面積為2.9km2。本采區(qū)內(nèi)，石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)，二迭系下統(tǒng)山西組(P1s)共含煤13層，從上而下依次為01、02、03、1、2、3、5、6、7、8上、8下、9、10， 其 中 01、02、03、1、5、8上、10號(hào)煤層發(fā)育不穩(wěn)定，常尖滅。2號(hào)煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為一穩(wěn)定可采煤層，煤層靠頂部含有一層灰黑色泥巖，厚度0.05～0.10m之間，煤層厚度2.67～3.44m之間。3#煤位于2#煤下約4.5～6.0m之間，為一層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可采煤層，僅局部煤層夾有簡(jiǎn)層狀炭質(zhì)頁(yè)巖透鏡體，厚度0.15m左右，煤層厚度2.9～4.2m之間。

2 1051工作面合理布置與支護(hù)現(xiàn)狀分析

在回采工作面或者煤柱的應(yīng)力集中區(qū)，采動(dòng)一般會(huì)引起沖擊地壓，沖擊地壓發(fā)生的主要形式表現(xiàn)為巷道積聚的大量能量突然釋放并噴發(fā)出大量的煤體，對(duì)巷道或人員造成傷害。被保護(hù)煤層在采掘的時(shí)候，上部留設(shè)的邊界往往形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力會(huì)傳遞給下煤層，在選擇下煤層巷道時(shí)應(yīng)該盡量避開(kāi)應(yīng)力高峰區(qū)，應(yīng)力集中也是引起沖擊地壓發(fā)生的重要因素之一。因此被保護(hù)層中的巷道位置必須選擇合理，同時(shí)巷道的掘進(jìn)應(yīng)該避免應(yīng)力集中區(qū)域，以上解危措施對(duì)防治沖擊地壓具有十分重要的作用。

巷道的掘進(jìn)位置、形狀尺寸經(jīng)過(guò)計(jì)算確定完畢以后，巷道自身的截面性質(zhì)、圍巖力學(xué)特征參數(shù)也隨之確定出來(lái)，降低沖擊地壓可以通過(guò)改變巷道的圍巖性質(zhì)。巷道支護(hù)以后自身的結(jié)構(gòu)性能具有一定的承載能力，不僅能承受靜載荷的沖擊，還必須要能承受強(qiáng)動(dòng)力載荷的巨大沖擊，巷道具備的這些特點(diǎn)是抵御巷道發(fā)生沖擊地壓的一個(gè)極其重要的因素。

2.1 1051工作面巷道布置原則

（1）上保護(hù)層邊界影響下巷道布置

如圖1所示，當(dāng)4煤設(shè)計(jì)的巷道以及停采線位置位于上保護(hù)煤層區(qū)域時(shí)，2煤采區(qū)邊界的支承壓力對(duì)其影響較輕，巷道施工對(duì)圍巖的應(yīng)力擾動(dòng)較小，與此同時(shí)巷道的支承壓力變化很小，巷道采掘過(guò)程中或者工作面停止回采的時(shí)候一般不會(huì)引起沖擊地壓的發(fā)生。若巷道的位置在原巖應(yīng)力區(qū)域或者集中應(yīng)力的過(guò)渡區(qū)域，引發(fā)上保護(hù)層煤體產(chǎn)生應(yīng)力集中的不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致能量的釋放，同時(shí)造成下層煤體承載能力的進(jìn)一步降低，與此同時(shí)還會(huì)引起圍巖應(yīng)力的重新分布造成支承壓力發(fā)生嚴(yán)重的變化。

圖1 工作面邊界巷道布置圖

（2）1051工作面煤柱下部的巷道布置

當(dāng)煤柱寬度固定的時(shí)候，埋深不同的煤柱本身承載能力不同，垂直應(yīng)力分布的狀態(tài)各異，煤柱垂直應(yīng)力分布呈現(xiàn)出正態(tài)分布特征，煤柱中間垂直應(yīng)力變化較小，兩側(cè)變化較大。煤柱的寬度在不同埋深程度上呈現(xiàn)出M型的分布，同一深度的煤柱以及相同賦存的應(yīng)力集中的狀況小于窄煤柱應(yīng)力集中的狀況。在同一個(gè)水平面上，當(dāng)煤柱的中心線的距離達(dá)到一定時(shí)，煤柱的應(yīng)力影響范圍達(dá)到極限。根據(jù)上述結(jié)論，可以得出煤柱下部的煤層可以分為卸壓區(qū)和過(guò)渡區(qū)，如圖2所示，當(dāng)巷道位置處于卸壓區(qū)的時(shí)候，可以減少應(yīng)力集中分布的狀況。

圖2 遺留煤柱下巷道布置圖

2.2 1051工作面巷道支護(hù)方式

近距離保護(hù)層開(kāi)采后，受保護(hù)層采動(dòng)的影響，1051試驗(yàn)工作面的底板受到強(qiáng)烈破壞，同時(shí)巷道的頂板巖體松散破碎，支護(hù)重點(diǎn)在于保持頂板的完整性。在常規(guī)支護(hù)的基礎(chǔ)上易采用斜拉錨索加固頂板，使巷道頂板成為一體，加強(qiáng)了巷道圍巖的強(qiáng)度，保持了巷道圍巖的完整性。

當(dāng)保護(hù)層的層間距很大的時(shí)候，為了減少?zèng)_擊地壓造成的動(dòng)力災(zāi)害，其主要支護(hù)方式為讓壓缷壓，一般都是應(yīng)用高強(qiáng)預(yù)緊力的錨桿錨索進(jìn)行支護(hù)。讓壓管起到變形作用，錨索起到一定的卸壓作用，錨索受到?jīng)_擊載荷的破斷情況就不會(huì)發(fā)生，同時(shí)可以通過(guò)減小錨索的直徑，有效地減少支護(hù)的成本。

3 1051工作面遺留煤柱區(qū)域卸壓

若上保護(hù)層開(kāi)采后遺留的煤柱不進(jìn)行有效的處理，兩側(cè)工作面采空區(qū)遺留的煤柱，集中的應(yīng)力將在煤柱處形成并且轉(zhuǎn)移到底板的巖石中，如圖3中的虛線所示，煤柱進(jìn)行卸壓可以通過(guò)大直徑的鉆孔卸壓技術(shù)以及爆破卸壓技術(shù)，煤柱應(yīng)力集中將向兩側(cè)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，降低被保護(hù)層工作面的沖擊危險(xiǎn)。

圖3 卸壓前后工作面受力圖

圖4為官地煤礦1051、1052工作面遺留煤柱分布情況，針對(duì)遺留煤柱分布特點(diǎn)，遺留煤柱的分布區(qū)域可以看成三角區(qū)域和矩形區(qū)域，在F15斷層的影響下，三角區(qū)域的底板應(yīng)力集中更為明顯。煤柱區(qū)域必須進(jìn)行破壞，同時(shí) “貫通式無(wú)核區(qū)”的處理方式必須實(shí)施。

圖4 遺留煤柱實(shí)際分布圖

4 沖擊地壓局部解危措施

4.1 鉆孔卸壓

鉆孔卸壓法是最有效減少和控制沖擊地壓的措施。鉆孔卸壓法的原理是鉆孔時(shí)產(chǎn)生的沖擊現(xiàn)象。每一個(gè)鉆孔周?chē)紩?huì)形成一定的破碎區(qū)域，特別是當(dāng)鉆孔越接近高應(yīng)力區(qū)域的時(shí)候，煤的儲(chǔ)能越高，鉆孔沖擊頻率也越高，產(chǎn)生的沖擊強(qiáng)度越大，當(dāng)這個(gè)鉆孔產(chǎn)生的破碎區(qū)域相互靠近時(shí)，煤層便發(fā)生破壞和卸壓。如圖5所示煤層支撐壓力峰值位置上鉆孔的斷裂和壓力釋放。鉆孔卸壓的本質(zhì)是處于高應(yīng)力的條件下，將煤層中積聚的彈性能量釋放從而破壞周?chē)簩?，消除沖擊地壓危險(xiǎn)性。

圖5 鉆孔的卸壓作用（Φ=76～500mm）

4.2 爆破卸壓

當(dāng)局部已經(jīng)形成沖擊地壓的時(shí)候，采用鉆孔爆破技術(shù)可以有效釋放彈性能量，該方法的使用可以對(duì)沖擊地壓進(jìn)行局部解危。即使煤層中出現(xiàn)大量的裂隙，煤體的完整性遭到了嚴(yán)重的破壞。裂隙存在降低了煤體的強(qiáng)度，煤體的彈性模量減小，煤體內(nèi)部積聚的彈性能也降低，將有效的降低沖擊地壓發(fā)生的必要條件。

爆破卸壓在實(shí)際的生產(chǎn)中卸壓效果良好，并且簡(jiǎn)單可行，是煤礦防治沖擊地壓發(fā)生的主要的技術(shù)方法。在煤巖體中合理布置炮眼的間距及合理確定爆破參數(shù)，是卸壓爆破成功的關(guān)鍵因素。

5 結(jié)論

本文探討了官地礦上保護(hù)層開(kāi)采引起沖擊地壓的區(qū)域防治技術(shù)以及局部危險(xiǎn)緩解的措施，防治沖擊地壓發(fā)生的局部解危措施包括合理布置巷道及支護(hù)、遺留煤柱卸壓，巷道應(yīng)該布置在上覆煤層卸壓區(qū)域，有效地消除沖擊危險(xiǎn)性，通過(guò)煤柱“分段式無(wú)核區(qū)卸壓”處理的方式，實(shí)現(xiàn)從不完全保護(hù)向完全保護(hù)的有效方式。解除局部危險(xiǎn)的主要措施是通過(guò)在危險(xiǎn)的沖擊區(qū)域合理應(yīng)用鉆孔和爆破進(jìn)行泄壓，實(shí)現(xiàn)斷層以及邊界區(qū)域的卸壓，從而降低沖擊地壓的危險(xiǎn)性。