張丁丁

（山東能源集團(tuán)防沖中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

1 工程概況

亭南煤礦煤層埋深大，賦存條件復(fù)雜，煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板和底板巖層具有弱沖擊傾向性。309 工作面位于礦井三盤(pán)區(qū)，工作面內(nèi)斷層發(fā)育，煤層上方巖層多以砂巖為主，頂板厚度特征參數(shù)超過(guò)92.4，上覆100 m 范圍內(nèi)存在兩層單層厚超過(guò)15 m、單軸抗壓強(qiáng)度超過(guò)60 MPa 的堅(jiān)硬巖層。

2 工作面沖擊機(jī)理分析

百萬(wàn)噸煤炭發(fā)生沖擊地壓次數(shù)Wt與采深H之間存在非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)埋深超過(guò)700 m 后，百萬(wàn)噸煤炭發(fā)生沖擊地壓次數(shù)為0.3。工作面埋深超700 m，其上覆巖層產(chǎn)生的自重應(yīng)力是工作面巷道周圍煤巖體所受應(yīng)力的主要來(lái)源，對(duì)工作面沖擊地壓有較大影響。

堅(jiān)硬厚層頂板容易聚積大量的彈性能[1]，在其破斷或滑移過(guò)程中，所積聚的彈性能突然釋放，容易形成強(qiáng)烈震動(dòng)，導(dǎo)致沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生。特別是頂板在初次和周期斷裂期間，工作面附近煤體應(yīng)力將會(huì)產(chǎn)生明顯變化，這種煤體應(yīng)力的變化一方面是頂板懸頂長(zhǎng)度達(dá)到極限跨度前，懸臂梁對(duì)煤體施加的夾持力[2]增大造成的；另一方面，垮落巖層不足以填滿采空區(qū)，造成上部巖層懸露，巖梁將自身及其上部巖層重量都加到采煤工作面周圍的煤體上，隨著工作面的繼續(xù)回采導(dǎo)致厚層老頂?shù)钠茢嗯c初次垮落以及隨后的周期回轉(zhuǎn)失穩(wěn)對(duì)工作面的礦壓顯現(xiàn)造成強(qiáng)烈的影響，這種影響對(duì)工作面沖擊地壓危害的發(fā)生起到誘發(fā)作用。一般情況下，在頂板來(lái)壓期間，煤體的沖擊危險(xiǎn)會(huì)有所升高，此間，煤體可在高夾持應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，聚集的能量突然釋放形成沖擊地壓，也可以是處于較高應(yīng)力狀態(tài)的煤體在堅(jiān)硬厚層頂板巖層突然破斷產(chǎn)生的強(qiáng)烈震動(dòng)作用下發(fā)生沖擊破壞，如圖1。

圖1 上覆巖層活動(dòng)誘發(fā)沖擊

斷層處巖層的不連續(xù)性導(dǎo)致斷層本身的不穩(wěn)定性。隨著工作面的推進(jìn)，其超前支承壓力的影響范圍不斷向前發(fā)展，當(dāng)?shù)竭_(dá)斷層影響區(qū)域后，斷層兩側(cè)本身的殘余構(gòu)造應(yīng)力與工作面超前支承壓力疊加[3]，使斷層附近的支承壓力增高，形成新的高應(yīng)力區(qū)。斷層面（帶）與工作面之間的中間區(qū)域?yàn)閼?yīng)力疊加高峰區(qū)，如果斷層本身屬于容易積聚能量的類型，則疊加后的應(yīng)力高峰區(qū)位置同樣容易積聚更大的能量。據(jù)現(xiàn)有成果，當(dāng)工作面推近上述斷層構(gòu)造時(shí)，相當(dāng)于工作面單邊卸壓，形成高應(yīng)力差，存在誘發(fā)沖擊地壓的可能。斷層構(gòu)造應(yīng)力對(duì)沖擊地壓影響機(jī)理如圖2 所示。隨著工作面的推進(jìn)，其超前支承壓力的影響范圍不斷向前發(fā)展，當(dāng)?shù)竭_(dá)斷層影響區(qū)域后，斷層本身構(gòu)造應(yīng)力與回采工作面的超前支承壓力疊加，使斷層附近的支承壓力增高，重新分布，斷層與工作面中間區(qū)域?yàn)閼?yīng)力疊加高峰區(qū)，如果斷層本身能夠積聚能量，當(dāng)集聚到一定程度時(shí)，可能發(fā)生沖擊地壓。研究表明，斷層落差是決定斷層區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力大小的主要影響因素。

圖2 斷層構(gòu)造對(duì)沖擊地壓影響示意圖

3 針對(duì)性治理措施

沖擊地壓發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，究其根源是作用于巷道周圍煤巖體的應(yīng)力大于煤巖體所能承受最大載荷，能量瞬間釋放，造成破壞。對(duì)于巷道周圍煤巖體所受應(yīng)力合理有效處理是解決沖擊地壓的關(guān)鍵。解除力源或者阻斷力源傳遞，增大巷道周圍煤巖體抗沖擊破壞能力，做到卸與抗合理配合[4]是現(xiàn)階段解決巷道圍巖體所受應(yīng)力的根本措施。經(jīng)分析，11309 工作面巷道所受應(yīng)力來(lái)源主要有上覆巖層自重應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力，除采取常規(guī)卸壓及監(jiān)測(cè)措施外，采取了加強(qiáng)支護(hù)、煤層及頂板爆破的措施，從根源上治理沖擊力源的同時(shí)，強(qiáng)化重點(diǎn)區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度，做到標(biāo)本兼治。

3.1 強(qiáng)化主動(dòng)支護(hù)

沖擊地壓造成的破壞是在巷道周圍煤巖體的靜應(yīng)力與沖擊載荷的動(dòng)應(yīng)力疊加下的作用結(jié)果，動(dòng)靜載荷下上覆巖層總應(yīng)力，經(jīng)原巖層的傳遞、卸壓層的衰減、錨固層的耗散后[5]，作用在可縮性液壓支架組成的巷內(nèi)支護(hù)層上，支護(hù)層的支護(hù)強(qiáng)度是否大于通過(guò)各多層圓環(huán)的傳遞后最終作用在巷道內(nèi)支護(hù)層上的應(yīng)力，是決定是否發(fā)生沖擊地壓的關(guān)鍵。

鑒于309 工作面埋深大，上覆堅(jiān)硬厚巖層及多構(gòu)造的賦存特征，該工作面加大了主動(dòng)與被動(dòng)支護(hù)，通過(guò)加大錨桿錨索長(zhǎng)度，在幫部施工錨索支護(hù)的措施，擴(kuò)大錨固層范圍，來(lái)加大主動(dòng)支護(hù)層支護(hù)強(qiáng)度。主要支護(hù)參數(shù)如下。頂板支護(hù)：采用錨桿配合錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用Φ22 mm×2800 mm 無(wú)縱筋全螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，錨桿間排距900 mm×900 mm；錨索采用長(zhǎng)度為8500 mm 的1×19 標(biāo)準(zhǔn)型-21.8-1860-∏型預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索并排三路布置，巷中布置一路，各偏巷中1800 mm 布置一路。幫部采用錨桿加錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用Φ22 mm×2800 mm 無(wú)縱筋全螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，錨桿間排距1000 mm×900 mm；錨索采用長(zhǎng)度為4500 mm 的1×19標(biāo)準(zhǔn)型-21.8-1860-∏型預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索并排兩路布置。具體如圖3。

圖3 巷道支護(hù)示意圖（mm）

3.2 強(qiáng)化工作面被動(dòng)支護(hù)

工作面兩順槽發(fā)生沖擊地壓事故時(shí)，順槽被動(dòng)支護(hù)是最后一道防線，兩順槽被動(dòng)支護(hù)是否能扛得住是關(guān)系到人員生死存亡的關(guān)鍵。在工作面發(fā)生沖擊地壓事故時(shí)，當(dāng)高強(qiáng)度可伸縮液壓支架所受載荷小于其工作阻力時(shí)，能對(duì)其所支護(hù)區(qū)段巷道進(jìn)行相對(duì)主動(dòng)支護(hù)，當(dāng)其所受瞬間沖擊載荷大于其工作阻力時(shí)，又能通過(guò)卸載閥卸載，對(duì)瞬間沖擊進(jìn)行緩沖，保證所支護(hù)區(qū)段巷道不會(huì)發(fā)生破壞。309 工作面兩槽超前支護(hù)采用ZCZ12700/24/40 型超前液壓支架組支護(hù)，超前支護(hù)距離20 m，同時(shí)在超前架組外采用雙排ZQ4000/20.6/45 型單元式超前液壓支架支護(hù)距離180 m，這樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)重點(diǎn)管控區(qū)域的高強(qiáng)度支護(hù)。

3.3 頂板爆破從根本解決沖擊力源

309 工作面上方100 m 范圍內(nèi)有兩層堅(jiān)硬厚巖層，除由于其本身及其上覆巖層產(chǎn)生的自重應(yīng)力是巷道煤巖體所受靜載的主要力源，堅(jiān)硬巖層周期性斷裂或者滑移是造成工作面沖擊地壓事故動(dòng)載的主要來(lái)源。工作面回采前，對(duì)煤層上覆堅(jiān)硬厚頂板進(jìn)行爆破處理，能促進(jìn)關(guān)鍵層位巖層的垮落，減小極限跨距，在降低由于關(guān)鍵層位大面積懸頂導(dǎo)致高靜載的同時(shí)形成爆破松動(dòng)圈，在更高位巖層運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成吸能緩沖層，能有效防止大面積懸頂形成的靜載和高位巖層運(yùn)動(dòng)形成的動(dòng)載對(duì)煤體的破壞。在構(gòu)造影響區(qū)域進(jìn)行爆破，在解決上覆堅(jiān)硬巖層的同時(shí)，誘發(fā)構(gòu)造應(yīng)力提前充分釋放，防止構(gòu)造應(yīng)力與采動(dòng)擾動(dòng)疊加，誘發(fā)沖擊。

從兩順槽切眼以外20 m 開(kāi)始至停采線以外40 m 均施工頂板爆破孔，組間距10 m，孔徑為Φ94 mm，每組布置3 個(gè)鉆孔，2 個(gè)面內(nèi)預(yù)裂孔，1 個(gè)垂直頂板。1#、2#面內(nèi)預(yù)裂孔方位角均為4°，仰角分別為61°、76°，孔深分別為63 m、58 m；3#靠近生產(chǎn)幫垂直頂板，仰角86°，孔深57 m。炸藥選用礦用被筒炸藥，藥卷直徑60 mm，每米裝藥量約為3.14 kg，裝藥量可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。具體如圖4 和表1。

圖4 頂板爆破示意圖

表1 兩順槽爆破斷頂孔參數(shù)表

4 治理方案效果驗(yàn)證

4.1 微震監(jiān)測(cè)效果驗(yàn)證

工作面回采過(guò)程中采用ARAMIS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面回采過(guò)程中產(chǎn)生的煤巖破裂進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)回采工作面開(kāi)切眼至停采線范圍的微震活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。在此期間共監(jiān)測(cè)到22 701 個(gè)微震事件?？偰芰繛?.8×106J，平均能量為123.34 J，最大能量8400 J，平均每米釋放能量為2 124.4 J。隨著能量級(jí)的增大，微震事件數(shù)呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，表現(xiàn)為“高頻低能”的能量釋放形式。能量小于102J 的微震事件最多，占比74.42%；能量在102～103J范圍內(nèi)的微震事件數(shù)目為5384 次，占比23.71%?？偰芰繛?.6×106J，總能量最大，占所有事件總能量的57.1%。能量在103～104J 范圍內(nèi)的微震事件為421 次，占比1.85%，數(shù)目最少，表明在工作面回采過(guò)程中圍巖積聚能量可以均勻釋放，降低了應(yīng)力集中突發(fā)釋放而造成沖擊事件的情況發(fā)生。同時(shí)單日最大能量釋放也具有明顯的周期性，每4～5 d 單日最大能量達(dá)到高峰，大能量釋放步距與頂板爆破孔組間距基本一致，說(shuō)明頂板爆破組間距直接影響上覆巖層垮落步距。

4.2 初次來(lái)壓與周期來(lái)壓期間

工作面回采至（含）切眼9 m 時(shí)工作面老頂初次來(lái)壓步距53.4 m，來(lái)壓時(shí)頂板壓力增大，周期來(lái)壓期間壓力顯現(xiàn)不明顯，來(lái)壓持續(xù)1～3 d，運(yùn)輸順槽端頭周期來(lái)壓步距14.2～27 m，平均20.6 m，動(dòng)壓系數(shù)1.03～1.33，平均1.18；工作面中部周期來(lái)壓步距從12.3～27 m，平均19.7 m，動(dòng)壓系數(shù)1.03～1.22，平均1.13；回風(fēng)順槽端頭周期來(lái)壓步距從11.9～27.8 m，平均19.9 m，動(dòng)壓系數(shù)1.07～1.31，平均1.19。可見(jiàn)，無(wú)論是運(yùn)輸順槽端頭、回風(fēng)順槽端頭還是工作面中部來(lái)壓步距大多數(shù)分布均勻，周期來(lái)壓步距基本是頂板爆破組間的2 倍，說(shuō)明頂板爆破組間距直接影響工作面周期來(lái)壓步距，降低周期來(lái)壓強(qiáng)度。

4.3 兩巷煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)

工作面回采期間，工作面兩順槽安裝KJ550 應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)兩順槽超前工作面300 m 進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。工作面開(kāi)采過(guò)程中兩順槽應(yīng)力值變化平穩(wěn)，未超過(guò)預(yù)警值，應(yīng)力值在4.2～7.8 MPa 之間，均在正常值范圍，說(shuō)明工作面兩順槽壓力較小，支護(hù)層支護(hù)區(qū)域內(nèi)整體塑性破壞不明顯。15 m 深處的應(yīng)力集中程度明顯大于9 m 深處的應(yīng)力集中程度，說(shuō)明強(qiáng)支護(hù)滿足支護(hù)強(qiáng)度要求。加長(zhǎng)支護(hù)錨桿長(zhǎng)度，增加錨索支護(hù)使得煤體支護(hù)圈擴(kuò)大，應(yīng)力集中區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移。

5 結(jié)論

通過(guò)加大回采工作面兩順槽主動(dòng)、被動(dòng)支護(hù)，巷道周圍煤巖體抗沖擊能力得到增強(qiáng)，塑性破壞得到明顯改善。通過(guò)對(duì)頂板關(guān)鍵層位爆破，減小工作面來(lái)壓步距，增加頂板裂隙發(fā)育，縮短關(guān)鍵層位極限垮落步距，避免形成長(zhǎng)距離懸頂產(chǎn)生的靜載，擠壓工作面煤體，又對(duì)關(guān)鍵層位破斷或者滑移產(chǎn)生的能量進(jìn)行緩沖和釋放，防止沖擊地壓的發(fā)生。構(gòu)造區(qū)域進(jìn)行爆破，誘發(fā)微震事件的發(fā)生，使構(gòu)造區(qū)域積聚的能量得以釋放，解決了構(gòu)造應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力疊加誘發(fā)沖擊的問(wèn)題。