劉 學(xué)

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

沖擊地壓是煤礦井下深部采掘過(guò)程中經(jīng)常遭遇的礦井災(zāi)害之一，隨著我國(guó)煤礦井下開(kāi)采深度和開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增加，沖擊地壓發(fā)生的概率也越來(lái)越大，近年來(lái)發(fā)生過(guò)多次沖擊地壓事故，都帶來(lái)了極為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1-6]。杜則銘[1]提出采用鉆屑法對(duì)工作面采掘期間的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析鉆屑法的監(jiān)測(cè)原理及判斷準(zhǔn)則進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；李玉生[7]提出沖擊地壓可用強(qiáng)度準(zhǔn)則、能量準(zhǔn)則及沖擊傾向準(zhǔn)則加以概括，3個(gè)準(zhǔn)則同時(shí)滿足，才是沖擊地壓的必要和充分條件；章夢(mèng)濤[9]根據(jù)煤(巖)變形破壞的機(jī)理，提出沖擊地壓的失穩(wěn)理論。以上理論和監(jiān)測(cè)方法雖然對(duì)沖擊地壓的理論分析和監(jiān)測(cè)方面具有重要指導(dǎo)意義，但在沖擊地壓的強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、影響范圍計(jì)算等方面不夠全面，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況制定針對(duì)性的防沖措施。近幾年來(lái)，耿村煤礦在開(kāi)采過(guò)程中連續(xù)發(fā)生幾起沖擊地壓事故，充分說(shuō)明沖擊地壓已嚴(yán)重威脅著耿村煤礦的安全生產(chǎn)。因此，對(duì)于耿村煤礦沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理、致災(zāi)因素、綜合防治技術(shù)等研究已迫在眉睫?；诖?，結(jié)合耿村煤礦12230特殊空間結(jié)構(gòu)體“孤島”工作面的實(shí)際情況，對(duì)工作面沖擊地壓發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究分析，提出了適合堅(jiān)硬頂板特厚煤層復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)體“孤島”工作面開(kāi)采期間的沖擊地壓綜合防治措施，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證綜合防沖措施的有效性。

1 工程概況

耿村礦12230工作面北臨已回采的(2-3)12210工作面運(yùn)輸巷，二者隔寬8 m的煤柱，東部切眼位置距(2-3)13160工作面采空區(qū)33～46 m，南部為未開(kāi)采的2-3煤實(shí)體，西側(cè)為2-3煤軌道下山和膠帶下山，平均采深550 m，其上部有12171工作面及12191工作面部分采空區(qū)(1-2煤)，并余留有1-2煤實(shí)體煤(2-3煤與1-2煤之間相距42.6 m)。該工作面開(kāi)采的煤層為2-3煤，平均煤厚14.5 m。煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1所示。

圖1 12230工作面煤層綜合柱狀Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam at 12230 working face

2 工作面沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

堅(jiān)硬頂板特殊結(jié)構(gòu)體工作面采場(chǎng)的覆巖運(yùn)移和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與其他工作面開(kāi)采有很大差別，因受周邊已回采工作面采空區(qū)應(yīng)力作用的影響，造成工作面頂?shù)装鍛?yīng)力高度集中，包括由煤(巖)體自重引起的自重應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造引起的構(gòu)造應(yīng)力、周?chē)灰?guī)則開(kāi)采引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及周邊采空區(qū)懸露頂板引起的歷史支承壓力[5-8]。基于此，把這些應(yīng)力的合應(yīng)力統(tǒng)稱為特殊結(jié)構(gòu)體工作面煤(巖)體的原始應(yīng)力，由特殊結(jié)構(gòu)體工作面的原始應(yīng)力集中所積聚的彈性能稱為特殊結(jié)構(gòu)體工作面的原始彈性能，這是工作面易發(fā)生沖擊地壓的應(yīng)力和能量基礎(chǔ)。

在工作面開(kāi)采過(guò)程中，隨著推采的不斷進(jìn)行，工作面前方煤體內(nèi)的應(yīng)力不斷集中，彈性能也隨之不斷積聚，工作面前方煤體不斷積聚的彈性能在采動(dòng)影響作用下，沿著煤巖介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)路徑向工作面開(kāi)采方向的弱勢(shì)面進(jìn)行延伸，并形成定向的能量勢(shì)場(chǎng)，從而損傷弱化煤巖介質(zhì)的形狀組織，使煤體內(nèi)部發(fā)生裂紋擴(kuò)展、貫通和匯聚，甚至發(fā)生輕微的滑移，并消耗能量做功。當(dāng)形成的能量大小超過(guò)損傷弱化工作面煤(巖)體介質(zhì)做功而消耗的能量時(shí)，被損傷弱化的煤(巖)體就會(huì)從開(kāi)采空間的弱勢(shì)面上突然拋出[5]，同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的沖擊波，導(dǎo)致發(fā)生沖擊地壓。

3 工作面沖擊地壓綜合防治技術(shù)方案

12230工作面以北為12210采空區(qū)，上部為1-2煤12170工作面和12190工作面采空區(qū)，該面三面臨空，屬空間特殊結(jié)構(gòu)體“孤島”結(jié)構(gòu)；加之1-2煤殘留不規(guī)則煤體(柱)形成的高應(yīng)力區(qū)對(duì)12230工作面的影響，隨著工作面的不斷推采，與12171、12191工作面區(qū)段煤柱和12191工作面切眼及12230工作面采空區(qū)邊界所圍成的開(kāi)采煤柱越來(lái)越小，開(kāi)采煤柱所承受上覆巖層靜載和12230工作面回采超前動(dòng)載的疊加程度也越來(lái)越大，又加之12230工作面處在三次見(jiàn)方范圍，通過(guò)理論分析及相同條件下沖擊地壓事故案例綜合分析判定，該工作面沖擊危險(xiǎn)程度較高，易造成工作面及兩巷的沖擊。根據(jù)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，結(jié)合工作面實(shí)際情況及以往工作面防沖經(jīng)驗(yàn)，提出了沖擊地壓綜合防治技術(shù)方案。

3.1 合理確定開(kāi)采強(qiáng)度，減少采掘擾動(dòng)

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)及近幾年防沖工作的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[9-16]，得出回采速度快慢會(huì)直接影響工作面煤(巖)體發(fā)生微震的頻次，特別是當(dāng)回采速度出現(xiàn)較大變化時(shí)影響最大。實(shí)踐表明，當(dāng)工作面回采速度出現(xiàn)劇烈變化時(shí)極易發(fā)生大能量微震事件，提高了沖擊地壓發(fā)生的概率。

為確保12230工作面的安全回采，將工作面回采速度控制在1 m/d以內(nèi)，且保持勻速平穩(wěn)的速度進(jìn)行回采，避免速度忽高忽低的現(xiàn)象。為減少采掘擾動(dòng)，生產(chǎn)期間兩巷不得進(jìn)行擴(kuò)修作業(yè)；非生產(chǎn)期間兩巷只允許單頭擴(kuò)修，避免雙頭擴(kuò)修；西采區(qū)開(kāi)掘工作面放炮時(shí)間不得布置在12230工作面生產(chǎn)期間。

3.2 合理確定加強(qiáng)支護(hù)方式

工作面兩巷堅(jiān)持“主動(dòng)支護(hù)為主，被動(dòng)支護(hù)為輔的”支護(hù)體系，回風(fēng)巷超前150 m、運(yùn)輸巷超前300 m進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，加強(qiáng)支護(hù)采用巷道支架、液壓抬棚、門(mén)式支架等。

3.2.1 回風(fēng)巷加強(qiáng)支護(hù)形式及規(guī)格

工作面上端頭使用ZT2×4000/23/50型巷道液壓自移支架(1架)+單體柱+排頭架配合來(lái)保證端頭處的支護(hù)強(qiáng)度。上端頭處巷道支架靠近巷道上幫，尾部要與最后一架排頭架尾部對(duì)齊。煤壁前方上拐頭沿巷道走向各安裝兩排(6架)巷道支架，安裝位置為距上、下幫各1.5 m，排距(中—中)2.3～2.8 m，靠近下幫第一架巷道支架安裝位置尾部與煤墻對(duì)齊(圖2)。

圖2 工作面回風(fēng)巷端頭支護(hù)示意Fig.2 Schematic of roadway end supporting on working face

3.2.2 運(yùn)輸巷加強(qiáng)支護(hù)形式及規(guī)格

工作面下端頭使用ZT2×4000/23/50型巷道液壓自移支架(1架)+單體柱+小抬棚+排頭架配合來(lái)保證端頭處的支護(hù)強(qiáng)度(圖3)。下端頭處巷道支架靠近巷道下幫，尾部要與最后一架排頭架尾部對(duì)齊，與小抬棚相輔來(lái)保證對(duì)下端頭形成牢固的支護(hù)。煤壁前方下拐頭沿巷道走向各安裝兩排(4架)巷道支架，安裝位置為距上、下幫各1.5 m，排距(中—中)2.3～2.8 m，靠近上幫第一架巷道支架安裝位置尾部與煤墻對(duì)齊。巷道支架和抬棚隨同采面回采一同前移。

圖3 工作面運(yùn)輸巷端頭支護(hù)示意Fig.3 Schematic of supporting of lower roadway end in working face

兩巷支架外需加強(qiáng)支護(hù)段使用液壓抬棚支架，在巷道中間沿走向打設(shè)一路，支架采用2根直徑220 mm的大立柱配合頂?shù)琢航M成，工作阻力為2×1 100 kN(圖4)。

3.3 大直徑深孔卸壓措施

應(yīng)力三向化轉(zhuǎn)移如圖5所示。根據(jù)“應(yīng)力三向化轉(zhuǎn)移”原理，施工大直徑的卸壓鉆孔對(duì)工作面煤(巖)體中存在沖擊地壓危險(xiǎn)的局部區(qū)域進(jìn)行卸壓。大直徑鉆孔會(huì)破壞工作面深部圍巖的結(jié)構(gòu)，在圍巖深部形成一個(gè)圍巖應(yīng)力弱化帶，從而導(dǎo)致其周邊高應(yīng)力向弱化帶區(qū)域轉(zhuǎn)移，在其周邊范圍內(nèi)的應(yīng)力值降低，形成一個(gè)低應(yīng)力區(qū)，如圖6所示。在煤(巖)體向外沖擊時(shí)，不但大直徑鉆孔可以把沖出的煤巖粉吸到鉆孔形成的空間內(nèi)，同時(shí)鉆孔周?chē)纬傻男秹簠^(qū)煤層頂?shù)装蹇梢蚤]合形成“楔形”阻力帶，可以阻擋沖擊出來(lái)的煤粉。

圖5 應(yīng)力三向化轉(zhuǎn)移示意Fig.5 Schematic of three-way stress transfer

圖6 卸壓鉆孔施工前后應(yīng)力變化Fig.6 Stress changes before and after pressure relief drilling

在工作面超前300 m和回風(fēng)巷空間孤島煤柱影響范圍內(nèi)的回風(fēng)巷下幫，運(yùn)輸巷上、下幫施工大直徑卸壓鉆孔，孔徑153 mm，孔深30 m，間距1 m，兩巷卸壓鉆孔布置如圖7所示?；仫L(fēng)巷下幫傾角1°～3°，孔口距離底板高度0.5～0.8 m；運(yùn)輸巷上幫傾角10°～13°，孔口距離底板0.5～0.8 m；運(yùn)輸巷下幫傾角1°～3°，孔口高出膠帶架0.5～0.8 m；施工后黃泥封孔長(zhǎng)度不得小于2 m。

圖7 兩巷卸壓鉆孔布置Fig.7 Pressure relief drilling layout in two lanes

3.4 煤層注水措施

通過(guò)煤層注水可以降低煤體的硬度，增加塑性，降低應(yīng)力集中系數(shù)，減弱沖擊地壓的危險(xiǎn)性，是降低沖擊地壓發(fā)生概率的有效措施之一。

在工作面超前150 m范圍回風(fēng)巷下幫，運(yùn)輸巷上、下幫實(shí)施靜壓注水。鉆孔深度40 m，鉆孔間距20 m，孔口位置應(yīng)布置在巷道煤體完整處，位于巷高1/3～1/2位置處，鉆孔垂直巷幫沿煤層傾向布置，運(yùn)輸巷上幫鉆孔傾角10°～13°，鉆孔傾角均為1°～3°，采用水泥藥卷+AB膠封孔，封孔長(zhǎng)度20 m。

3.5 斷底爆破措施

(1)厚硬底板?；夭上锏赖装鍘r層為厚度超過(guò)3 m的堅(jiān)硬巖層時(shí)，能有效預(yù)防沖擊地壓危害的發(fā)生，可將回采巷道底板直接落到底板巖層上。

(2)回采巷道底板為厚度小于1 m的軟巖、具有中等沖擊危險(xiǎn)時(shí)，需要進(jìn)行破底掘進(jìn)，破底深度以穿過(guò)軟巖層為準(zhǔn)，確保底板為堅(jiān)硬巖層。

(3)復(fù)合底板?；夭上锏赖装逵珊穸刃∮? m的軟、硬巖層相間組成時(shí)，如果不進(jìn)行特殊處理，在應(yīng)力集中區(qū)域該底板存在極大的沖擊危險(xiǎn)性。針對(duì)此種底板，回采過(guò)程中需對(duì)其進(jìn)行斷底處理，具體做法是在回采巷道底板上向下打炮孔，并進(jìn)行裝藥爆破，破壞底板的完整性，解除其沖擊危險(xiǎn)性。12230工作面兩巷留有一定的底煤，屬于此種類(lèi)型。

4 防治效果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)利用KJ-743煤礦沖擊地壓無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和KJ-549微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)12230工作面不規(guī)則煤柱影響區(qū)域井下應(yīng)力監(jiān)測(cè)和微震監(jiān)測(cè)以及耿村礦12230工作面分析，并通過(guò)應(yīng)力和微震變化以及分布情況分析驗(yàn)證卸壓工程的施工效果。

4.1 應(yīng)力分析

在不規(guī)則煤住影響區(qū)域范圍內(nèi)選擇回采進(jìn)尺744 m和775 m處2組應(yīng)力計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)該礦井12230工作面超前支承壓力影響范圍為130 m左右，選取2020年9月1日至12月8日期間觀測(cè)分析煤柱影響高應(yīng)力集中區(qū)域受采動(dòng)影響的變化情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 回采進(jìn)尺744 m深淺孔應(yīng)力變化示意Fig.8 Stress changes in the mining footage of 744 m deep shallow hole

由圖8可知，在9月2日至11月13日期間(工作面回采600～648 m)，隨著工作面不斷推進(jìn)，回采進(jìn)尺744 m處深孔應(yīng)力呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，11月4日達(dá)到最大10.2 MPa，應(yīng)力較高，說(shuō)明744 m處應(yīng)力積聚。采取縮小卸壓孔，加大卸壓孔深度，增強(qiáng)煤壁及底板注水量等措施后，應(yīng)力恢復(fù)正常。

4.2 微震分析

通過(guò)KJ-549、ARAMIS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)不規(guī)則煤柱受回采影響的高應(yīng)力集中區(qū)域加強(qiáng)卸壓工程施工后，微震事件的頻次、能量以及分布情況進(jìn)行分析。

12230工作面上覆巖層整體性強(qiáng)且不易自然垮落的頂板，極易積聚大量彈性能，斷裂時(shí)將釋放巨大的沖擊動(dòng)能。隨工作面的推進(jìn)，在推進(jìn)方向勢(shì)必會(huì)造成上覆巖層斷裂。故根據(jù)微震事件發(fā)生的剖面位置，從而簡(jiǎn)單確定上覆巖層斷裂的高度[6-7]。通過(guò)對(duì)工作面影響區(qū)域施工多輪次大直徑卸壓鉆孔和爆破，有效降低了上覆巖層斷裂影響區(qū)域應(yīng)力，工作面日均發(fā)生的微震頻次和日均釋放出的能量均出現(xiàn)較大幅度降低，具體如圖9所示。

由圖9分析可知，開(kāi)采過(guò)程中覆巖平均活動(dòng)高度集中在150 m內(nèi)。而經(jīng)多輪次卸壓后，開(kāi)采過(guò)程中覆巖平均活動(dòng)高度集中在70 m內(nèi)。

圖9 卸壓前后微震事件傾向剖面Fig.9 Propensity profile of microseismic events before and after pressure relief

綜上，通過(guò)對(duì)12230工作面開(kāi)展加強(qiáng)兩巷超前支護(hù)、施工卸壓鉆孔、煤層注水、斷底爆破等綜合治理措施，有效降低了不規(guī)則煤柱影響區(qū)域應(yīng)力。保證了工作面安全回采，說(shuō)明不規(guī)則煤柱高應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力得到有效釋放，達(dá)到了沖擊地壓防治的預(yù)期效果。

5 結(jié)論

(1)12230工作面因三面臨空，屬堅(jiān)硬頂板空間特殊結(jié)構(gòu)體“孤島”結(jié)構(gòu)，工作面采場(chǎng)的覆巖運(yùn)移和礦壓顯現(xiàn)明顯，通過(guò)理論分析及相同條件下沖擊地壓事故案例綜合分析，判定該工作面沖擊危險(xiǎn)程度較高，易造成工作面及兩巷的沖擊。

(2)工作面回采速度出現(xiàn)劇烈變化時(shí)極易發(fā)生大能量微震事件，提高了沖擊地壓發(fā)生的概率，將工作面回采速度控制在1 m/d以內(nèi)，且保持勻速平穩(wěn)的速度進(jìn)行回采，能夠有效減少工作面微震頻次，降低沖擊地壓發(fā)生概率。

(3)通過(guò)大直徑深孔卸壓、煤層注水、斷底爆破等卸壓措施，可以降低煤體的硬度，增加塑性，減小應(yīng)力集中系數(shù)，減弱沖擊地壓的危險(xiǎn)性，同時(shí)提高回采工作面上下端頭和上下兩巷超前支護(hù)強(qiáng)度，能夠大大降低工作面沖擊地壓發(fā)生的可能性。

(4)通過(guò)應(yīng)力、微震等監(jiān)測(cè)結(jié)果分析表明，工作面回采過(guò)程中日均微震頻次與日均釋放能量均有所下降，不規(guī)則煤柱影響區(qū)域應(yīng)力得到明顯降低，工作面實(shí)現(xiàn)了安全回采。