曹 路

(汾西礦業(yè) 靈北煤礦，山西 靈石 031300)

隨著煤炭開采深度增加，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量呈顯著遞增趨勢，特別是在山東、河南等中東部煤巖開采區(qū)，沖擊地壓給煤炭安全開采帶來較大威脅[1]。眾多學(xué)者對沖擊地壓預(yù)測預(yù)警、發(fā)生機(jī)理以及防治技術(shù)等進(jìn)行了研究，并取得了較為豐碩的研究成果[2]。構(gòu)造型沖擊地壓是煤炭開采時(shí)常見的沖擊地壓形式，具體表現(xiàn)為構(gòu)造應(yīng)力遠(yuǎn)高于煤巖體自身重力[3-5]，其中王宏偉等[6]對斷層誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)斷層面上煤巖體位移量或者切應(yīng)力突然增加是引起沖擊地壓的主要誘因；王書文等[7]認(rèn)為背斜構(gòu)造區(qū)域內(nèi)采空區(qū)邊緣巖體更容易鉸接形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生滯后型動(dòng)載荷，采空區(qū)側(cè)覆巖移動(dòng)會(huì)給附近巷道產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中，從而誘發(fā)沖擊地壓問題。文中以某礦11303綜采工作面回采為工程背景，該礦經(jīng)過鑒定為沖擊地壓礦井，必須進(jìn)行必要的沖擊地壓監(jiān)測，而在11033工作面過B2背斜構(gòu)造期間，回風(fēng)巷出現(xiàn)明顯的動(dòng)力顯現(xiàn)，需要針對性提出沖擊地壓防治措施，以便為采面安全回采創(chuàng)造良好條件。

1 工程概況

11303綜采工作面為3采區(qū)第2個(gè)回采工作面，采面開采的11號(hào)煤層厚度平均2.59 m、傾角5°，采面設(shè)計(jì)走向、傾向長分別為2 690 m、315 m。11303綜采工作面有3條回采巷道，采用兩進(jìn)一回通風(fēng)方式。11303回風(fēng)巷前期為11301工作面進(jìn)風(fēng)巷，通過沿空留巷技術(shù)保留下來為11303綜采工作面生產(chǎn)服務(wù)，11303回風(fēng)巷與鄰近的11301工作面采空區(qū)間留設(shè)有寬度15 m的護(hù)巷煤柱。11303回風(fēng)巷采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)頂板及巷幫，底板未支護(hù)。

根據(jù)回采巷道掘進(jìn)揭露地層情況以及前期物探資料顯示，11303綜采工作面開采范圍地質(zhì)條件較為簡單，但是在工作面回采至1 205～1 423 m位置時(shí)會(huì)受到B2背斜構(gòu)造影響，預(yù)計(jì)回采至1 423 m時(shí)會(huì)通過該背斜。采面在過背斜期間，11303工作面巷道出現(xiàn)不同程度的底鼓并伴隨有錨桿索崩斷失效、煤巖體彈射等動(dòng)力顯現(xiàn)，存在一定的沖擊地壓危險(xiǎn)，因此需要進(jìn)行針對性防治。

2 回采巷道掘進(jìn)過B2背斜期間微震監(jiān)測分析

微震是沖擊地壓征兆的重要評價(jià)指標(biāo)[8]，微震頻次、能量是開采因素、地質(zhì)因素等綜合作用的結(jié)果，具體發(fā)生過程中可能某一種或者兩種因素起主導(dǎo)作用。為此，文中基于區(qū)域微震監(jiān)測方法對11303綜采工作面回采巷道掘進(jìn)過B2背斜構(gòu)造期間微震頻次、能量進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 微震監(jiān)測結(jié)果

1) 11303運(yùn)輸巷在揭露B2背斜前后微震發(fā)生頻次基本未出現(xiàn)變化，11303回風(fēng)巷相對11303運(yùn)輸巷地質(zhì)條件、開采條件的最大差異是11303回風(fēng)巷靠近11301采空區(qū)。由于11303運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷所處地質(zhì)環(huán)境、開采條件存在差異，從而使得監(jiān)測到的微震頻次發(fā)生率相差1倍以上。分析得出11303回風(fēng)巷微震事件頻次、能量顯著增加是采空區(qū)、背斜構(gòu)造兩種主導(dǎo)因素并結(jié)合其他輔助因素綜合作用的結(jié)果，單一揭露背斜或者靠近采空區(qū)均不會(huì)使得微震頻次大幅增加。

2) 11303回風(fēng)巷微震頻次、微震能量在B2背斜構(gòu)造影響范圍內(nèi)較影響范圍外分別增加2倍、1.5倍上；11303回風(fēng)巷揭露背斜軸部后，微震頻次較揭露前基本保持一致，但是微震能量卻較揭露前增加約1.5倍。表明，在背斜構(gòu)造內(nèi)煤巖體在構(gòu)造應(yīng)力作用下積聚有大量彈性形變能，在采動(dòng)動(dòng)壓影響下會(huì)以礦震或者微震等形式釋放。

3) 通過對比11303回風(fēng)巷揭露B2背斜翼部、軸部微震數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)背斜翼部微震頻次較軸部增加2倍以上；從微震能量來看，翼部、背部基本保持一致。通過上述分析可得出，采面揭露B2背斜軸部時(shí)沖擊地壓危險(xiǎn)性會(huì)較翼部明顯增加。

3 沖擊地壓防治技術(shù)措施

11303回風(fēng)巷靠近11301采空區(qū)，同時(shí)巷道頂板、兩幫均采用錨網(wǎng)索支護(hù)，底板未采取支護(hù)措施，圍巖支護(hù)狀態(tài)為典型的“三強(qiáng)一弱”。同時(shí)11303回風(fēng)巷在采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力、超前支承壓力、構(gòu)造應(yīng)力等綜合作用下，煤巖體中的彈性能會(huì)以底板變形釋放出來，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)煤巖體彈射現(xiàn)象。通過分析11303回風(fēng)巷圍巖支護(hù)狀態(tài)、應(yīng)力分布等，提出采用以“卸壓”為核心的沖擊地壓防治措施，具體方法為：超前頂板水力壓裂切頂(弱化)；煤體大孔徑卸壓鉆孔；回風(fēng)巷起底卸壓。

3.1 頂板切頂卸壓

當(dāng)11303綜采工作面回采推進(jìn)至B2背斜構(gòu)造影響區(qū)外200 m時(shí)，即在11303回風(fēng)巷頂板上施工切頂卸壓鉆孔切斷頂板應(yīng)力傳遞路徑，主要作用為：①弱化11303回風(fēng)巷頂板堅(jiān)硬巖層，從而降低采面超前支承壓力、采空區(qū)側(cè)向壓力等對巷道影響；②通過在回風(fēng)巷頂板上形成切縫，降低頂板巖層能量集聚，使得頂板隨著采面推進(jìn)可及時(shí)垮落，避免采空區(qū)頂板大面積懸空導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)明顯。

切頂卸壓采用水力壓裂技術(shù)，具體在回風(fēng)巷靠近采面?zhèn)葘?shí)施高壓水力割縫，起到弱化頂板作用，便于頂板及時(shí)垮落；在靠近煤柱側(cè)實(shí)施定向水力壓裂，從而形成切頂縫隙，切斷采空區(qū)與回風(fēng)巷頂板間應(yīng)力傳遞路徑，具體卸壓鉆孔現(xiàn)場布置情況如圖2所示。

圖2 卸壓鉆孔布置

鉆孔1為定向水力壓裂，鉆孔布置傾角為60°；鉆孔2為高壓水力割縫鉆孔，鉆孔傾角為45°。現(xiàn)場施工的高壓水力割縫、定向水力壓裂等壓力值均為30～60 MPa。

3.2 大孔徑鉆孔卸壓

超前11303綜采工作面300 m范圍在B2背斜構(gòu)造影響范圍內(nèi)向采面煤體內(nèi)、煤柱上施工大孔徑鉆孔，以便降低圍巖應(yīng)力集中程度。通過在煤體上施工大孔徑鉆孔不僅可消除煤體中集聚的彈性能，而且可緩解采面開采引起的超前支承壓力影響，從而降低沖擊地壓危險(xiǎn)性；當(dāng)圍巖應(yīng)力集中時(shí)可通過鉆孔孔壁破裂、壓實(shí)等釋放部分沖擊能量，從而降低沖擊地壓危險(xiǎn)性。在11303回風(fēng)巷分別向煤體幫、煤柱幫按照1 m間隔施工孔徑113 mm鉆孔，采面幫鉆孔深度均為15 m、煤柱幫鉆孔深度為10 m。采面背斜構(gòu)造影響范圍共計(jì)217 m，共計(jì)施工434個(gè)大孔徑卸壓鉆孔。

3.3 巷道底板起底卸壓

11303回風(fēng)巷底板由于未支護(hù)，煤巖體彈性能很大一部分以底鼓形式釋放，可通過起底方式釋放煤巖體彈性能。具體回風(fēng)巷底板起底分兩次進(jìn)行，一次起底高度為1.0 m，確保巷道高度在1.8 m以上，在卸壓的同時(shí)滿足行人、材料運(yùn)輸、回風(fēng)等需要；二次起底高度在0.4 m以上，使得巷道凈高度在2.2 m以上，滿足巷道超前支護(hù)需要。

3.4 沖擊地壓防治效果分析

在11303綜采工作面過B2背斜構(gòu)造期間，綜合使用水力卸壓、大直徑鉆孔以及底板起底等方式卸壓，有效降低了回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力集中程度，并釋放部分煤巖體彈性能?，F(xiàn)場應(yīng)用后，11303回風(fēng)巷頂板下沉量、底鼓量最大分別為28 mm、85 mm，同時(shí)未出現(xiàn)任何沖擊地壓征兆，為11303綜采工作面安全回采創(chuàng)造了良好條件。

4 結(jié) 語

1) 隨著采掘工作面不斷推進(jìn)，工作面的開采條件、地質(zhì)條件會(huì)發(fā)生一定變化，采掘作業(yè)微震發(fā)生頻次、能量等變化可綜合反映開采因素、地質(zhì)因素變化情況，在微震頻次、能量變化過程中往往一種或者兩種因素起主導(dǎo)作用。11303綜采工作面開采范圍的B2背斜構(gòu)造煤巖體中集聚有大量的彈性能，其中11303回風(fēng)巷在超前支承壓力、采空區(qū)側(cè)向壓力以及煤巖體彈性能共同作用下容易出現(xiàn)沖擊地壓，特別是在B2背斜軸部位置沖擊地壓危險(xiǎn)性更高，給巷道使用安全帶來一定威脅。

2) 為了確保11303回風(fēng)巷安全使用，在11303綜采工作面過B2背斜期間，在回風(fēng)巷使用以卸壓為核心的沖擊地壓防治措施。具體措施為：巷道頂板切頂卸壓以及頂板堅(jiān)硬巖層弱化，工作面煤體以及煤柱大孔徑鉆孔卸壓，巷道起底卸壓等?，F(xiàn)場應(yīng)用后，回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力集中程度大幅降低，彈性能得以釋放，采面在過B2背斜期間11303回風(fēng)巷未再出現(xiàn)任何沖擊地壓征兆，同時(shí)巷道底板底鼓量在85 mm以內(nèi)，取得了較好的沖擊地壓防治效果。