武晉飛 申玉明 楊皓博

（陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500）

沖擊地壓是煤礦開(kāi)采過(guò)程中特別嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害[1]。由于產(chǎn)生沖擊地壓的因素多元性，無(wú)法預(yù)測(cè)沖擊地壓的產(chǎn)生，只能結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境采取相應(yīng)的卸壓措施。沖擊地壓與埋深呈線性相關(guān)，埋深越大，沖擊地壓越容易發(fā)生；堅(jiān)硬頂板也是誘發(fā)煤礦沖擊地壓的因素；較厚煤層回采后產(chǎn)生的大面積采空區(qū)也會(huì)加大沖擊地壓的產(chǎn)生幾率[2]。因此，本文以彬長(zhǎng)煤礦40309深部硬厚頂板工作面為工程背景，通過(guò)分析導(dǎo)致沖擊地壓的原因，設(shè)計(jì)合理的沖擊地壓防治方案。

1 工程背景

（1）工程概況

40309工作面位于三盤(pán)區(qū)，埋深范圍531～731 m，設(shè)計(jì)開(kāi)采4號(hào)煤層，煤層賦存連續(xù)完整，掘進(jìn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)大型斷裂構(gòu)造，煤層厚度19～28 m，煤層傾角0°～5°，煤層層位及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定。40309工作面巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

由表1可知，40309工作面巷道直接頂屬于工程性軟巖，易受外力作用發(fā)生破碎變形；底板巖性較軟，易發(fā)生變形破壞；老頂較為堅(jiān)硬，在開(kāi)采過(guò)程中易積蓄大量彈性勢(shì)能。

（2）工程問(wèn)題

由工程概況可知，工作面埋深較大，發(fā)生沖擊地壓的概率大大增加；煤層厚度較大，回采后形成大面積采空區(qū)，增加頂板積蓄的變形能；工作面巷道頂板屬于厚硬巖層，且頂?shù)装宸€(wěn)定性較差，易受開(kāi)采擾動(dòng)產(chǎn)生沖擊地壓。沖擊地壓威脅人員的人身安全，并導(dǎo)致大量經(jīng)濟(jì)損失。因此分析沖擊地壓出現(xiàn)的原因并設(shè)計(jì)合理的卸壓方案顯得尤為重要。

2 問(wèn)題機(jī)理

礦壓顯現(xiàn)劇烈主要是因?yàn)殚_(kāi)采導(dǎo)致巷道煤層應(yīng)力重新分布，垂直應(yīng)力向兩幫轉(zhuǎn)移，水平應(yīng)力向頂、底板中轉(zhuǎn)移。煤層受重新分布后的不均應(yīng)力作用，在巷道煤層沖擊地點(diǎn)受高應(yīng)力集中作用，于工作面頂板中蓄積大量變形能，受工作面采動(dòng)影響，巖層中積蓄的彈性勢(shì)能突然大量釋放，工作面巷道圍巖受變形能沖擊作用發(fā)生變形破壞。如圖1。

圖1 工作面圍巖受力示意圖

由圖1可知，在巷道開(kāi)挖后，煤巖體由三向受力變?yōu)殡p向受力，圍巖應(yīng)力重新分布，受垂直方向的不均應(yīng)力σy與水平方向的均布應(yīng)力σx作用，不均垂直應(yīng)力相互疊加形成應(yīng)力峰值σmax[3]。隨著工作面回采，應(yīng)力峰值σmax增大，當(dāng)σmax超過(guò)煤巖體的極限破壞強(qiáng)度時(shí)，巷道發(fā)生片幫和冒頂，煤巖體積蓄的變形能在極短的時(shí)間大量釋放，產(chǎn)生沖擊地壓現(xiàn)象。因此，根據(jù)工作面具體條件選擇安全合理的卸壓方法至關(guān)重要。

3 卸壓方案及參數(shù)

（1）卸壓方案

沖擊地壓的主要防治方法有：煤層注水法、爆破卸壓法、鉆孔卸壓法等。煤層注水法通過(guò)高壓向煤巖層注水，破壞煤巖體結(jié)構(gòu)的整體性，進(jìn)而降低煤巖體中的變形能，適合易產(chǎn)生裂隙的煤巖體，且施工難度及成本較高。爆破卸壓法通過(guò)爆破來(lái)破壞煤巖體穩(wěn)定性，能最大限度地釋放積聚在煤體中的彈性能，有效防治沖擊地壓。但爆破卸壓需要結(jié)合工作面實(shí)際情況進(jìn)行合理布置及合理的裝藥量，有一定的危險(xiǎn)性與不確定性，不適合于存在瓦斯的工作面。鉆孔卸壓法是目前普遍使用的卸壓方法，操作難度與成本較低，適用于大多數(shù)工作面。鉆孔卸壓法是利用高應(yīng)力條件下煤層中積聚的彈性能來(lái)破壞鉆孔周?chē)拿后w，使煤巖層卸壓、釋放能量，消除沖擊危險(xiǎn)[4]。40309工作面瓦斯含量高，無(wú)法使用爆破卸壓法防治沖擊地壓。40309工作面埋深較大，煤體垂直應(yīng)力較大，鉆孔卸壓效果顯著，且鉆孔卸壓法成本遠(yuǎn)低于煤層注水法，鉆孔卸壓法可安全有效提高經(jīng)濟(jì)效益，所以選擇鉆孔卸壓法防治沖擊地壓。其中，鉆孔直徑、間距等均為影響卸壓效果的重要因素，所以需要理論計(jì)算得出合理的鉆孔卸壓參數(shù)。

（2）鉆孔直徑

鉆孔直徑計(jì)算見(jiàn)式（1）、（2）。

式中：d為鉆孔直徑，mm；R為圍巖松動(dòng)圈半徑，實(shí)測(cè)為820 mm；φ為煤巖體的內(nèi)摩擦角，23°。代入計(jì)算得鉆孔的直徑為133.8 mm，取133 mm。

（3）鉆孔間距

鉆孔間距計(jì)算見(jiàn)式（3）。

式中：ε為安全變量，0.2；k為安全系數(shù)，1.1；h為煤層平均厚度，23.5 m。代入計(jì)算得鉆孔的間距應(yīng)小于3.251 m，孔間距取3.2 m。

（4）鉆孔深度

卸壓鉆孔深度位于煤柱應(yīng)力峰值區(qū)時(shí)卸壓效果較為顯著。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)：40309工作面煤柱側(cè)應(yīng)力峰值區(qū)范圍為12～16 m，回采側(cè)應(yīng)力峰值區(qū)范圍為28～32 m，煤層底板極限平衡區(qū)范圍為8～12 m。

（5）鉆孔卸壓具體方案

幫部卸壓區(qū)域超前工作面300 m。幫部卸壓鉆孔直徑為133 mm，孔間距為3.2 m，根據(jù)工作面應(yīng)力峰值區(qū)范圍確定煤柱側(cè)鉆孔深度為15 m，回采側(cè)鉆孔深度為30 m，封孔長(zhǎng)度4 m。鉆孔布置方式如圖2。

圖2 幫部大直徑卸壓鉆孔布置示意圖

底板卸壓鉆孔直徑133 mm，鉆孔與水平面夾角為60°，孔間距3.2 m，根據(jù)煤層底板極限平衡區(qū)范圍確定鉆孔深度為10 m，封孔長(zhǎng)度2 m。鉆孔布置如圖3。

圖3 底板大孔徑卸壓鉆孔布置示意圖

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

在40309工作面及相鄰未卸壓工作面回采巷道非回采幫每30 m安裝一組鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)計(jì)，對(duì)卸壓區(qū)殘余支承應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與相鄰未卸壓工作面殘余支承應(yīng)力進(jìn)行比較，觀察鉆孔卸壓方案的應(yīng)用效果。圖4為殘余支承應(yīng)力變化曲線（取每個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值）。

圖4 殘余支承應(yīng)力變化曲線

從圖4可以看出，相鄰未卸壓工作面殘余支承應(yīng)力峰值為14 MPa，鉆孔卸壓工作面殘余支承應(yīng)力峰值為9.8 MPa。鉆孔卸壓后應(yīng)力峰值下降1.4倍，應(yīng)力峰值向巷幫深部轉(zhuǎn)移20 m，穩(wěn)定性顯著提高。

5 結(jié)論

（1）誘發(fā)40309工作面沖擊地壓的因素有：工作面較大的埋深及較厚煤層回采形成的較大空間采空區(qū)。

（2）針對(duì)40309工作面產(chǎn)生沖擊地壓的原因，結(jié)合工作面實(shí)際情況選用鉆孔卸壓法防治沖擊地壓。

（3）鉆孔卸壓方案將煤巖殘余支承應(yīng)力峰值降低1.4倍，應(yīng)力集中區(qū)域向深部轉(zhuǎn)移20 m。