千米深井下山煤柱區底鼓沖擊及其防治

朱振平

(長治三元中能煤業有限公司， 山西　長治　046605)

·試驗研究·

千米深井下山煤柱區底鼓沖擊及其防治

朱振平

(長治三元中能煤業有限公司， 山西長治046605)

摘要基于某礦9煤回風下山的實際條件及底鼓沖擊動力顯現，分析了其沖擊礦壓發生的原因，并建立底板沖擊礦壓控制體系。結果表明：該工作面具有強沖擊危險性，主要影響因素為下山孤島煤柱、大采深、頂底板條件、煤層強沖擊傾向性等；下山煤柱區覆巖運動劇烈、應力高度集中，高靜載下礦震動力擾動誘發底板沖擊；該工作面掘進前采取煤體大直徑鉆孔預卸壓處理，掘進期間根據監測結果實施頂、底板預裂爆破卸壓沖擊解危措施，現場效果良好。該研究成果可為類似條件下煤巖動力災害防治提供借鑒。

關鍵詞千米深井；下山煤柱區；高靜載；底板；沖擊礦壓；強度弱化

底板沖擊是在礦山采動擾動下底板煤巖層變形能的瞬時釋放，表現為底板煤巖層突然、急劇、猛烈的向上突出，引起采掘空間圍巖、設備破壞的沖擊動力災害[1-2].研究表明，對于較薄或中厚煤層，巷道沿底板布置容易產生兩幫煤體(柱)沖擊；對于厚煤層或特厚煤層，開采上分層或綜放開采沿頂板布置留底煤時，由于對底板沒有采取有效卸壓和支護措施，易發生底鼓沖擊[3].

相關文獻針對底板沖擊礦壓問題進行了大量研究，提出了一些相關理論及針對性的防治技術，但對采區上、下山煤柱區的底板沖擊研究較少[4-7].本文基于前人研究的基礎，根據某礦9煤回風下山的實際條件及底鼓沖擊動力顯現，對其沖擊礦壓發生原因進行分析，并建立底板沖擊礦壓控制技術體系，最大限度地防止沖擊礦壓的發生。

1工作面概況

某礦9煤回風下山位于-1025西一下山采區煤柱區內，東鄰皮帶下山，西鄰95208工作面(未采)，南與95208運輸巷相接，上覆7煤遺留煤柱。巷道在9煤中掘進，標高-1 123～-1 145 m，地面標高+35 m；煤厚2.3～3.2 /2.6 m，傾角0～15°/5°，具有強沖擊傾向性；直接頂為16.35 m的砂巖，老頂為2.74 m的頁巖，直接底為4.86 m的頁巖，老底為18.75 m的砂頁巖；工作面地質構造簡單。工作面采掘關系見圖1.

圖1　工作面平、剖面示意圖

9煤回風下山為矩形斷面，尺寸為寬4.2 m×高3.6 m，錨網索支護，剩余工程量120 m.巷道自掘進以來多次發生煤巖動力現象，動力顯現明顯。尤其是2012年7月21日在掘進工作面附近發生一起沖擊礦壓：迎頭向后10 m范圍內底鼓300～500 mm；強動力將掘進機掀起，部分部件震壞；震動劇烈，并伴有煤壁及頂板剝落等現象。

2工作面底板沖擊危險性分析

2.1　沖擊礦壓影響因素分析

結合9煤回風下山的實際條件，影響其底板沖擊的主要因素有以下幾個方面：

1) 下山孤島煤柱。-1 025 m西一下山采區7、9煤工作面基本回采完畢，整個下山煤柱區處于孤島煤柱狀態，覆巖運動劇烈，應力高度集中，在采掘作用下極易發生沖擊礦壓。

2) 開采深度。沖擊礦壓發生的可能性隨開采深度的增加逐漸增大。工作面采深平均接近1 200 m，對工作面沖擊危險性影響大。

3) 煤層沖擊傾向性。經沖擊傾向性鑒定，9煤層單軸抗壓強度為23.26 MPa、動態破壞時間41 ms、沖擊能指數5.05、彈性能指數10.28，為強沖擊傾向性煤層，具備發生沖擊礦壓的能力。

4) 頂底板條件。工作面直接頂為16.35 m的厚硬砂巖，有利于彈性能的積聚；直接底為4.86 m的頁巖，存在層狀、軟弱結構，在高應力及強礦震的作用下，易發生底鼓動力現象。

5) 礦震動載。研究表明，除了純粹靜載條件下發生沖擊礦壓，更多沖擊礦壓的發生是受到礦震動載擾動的影響[8].每一次沖擊動力顯現均伴隨著大能量礦震，本次沖擊礦震震源標高-1 120.46 m，能量8.4E+4J，處于巷道上方10 m堅硬頂板中，水平距離巷道20 m，為近距離低位頂板強礦震。

2.2　沖擊破壞原因分析

深井上下山煤柱區靜載作用下煤巖體已處于或接近極限狀態。煤柱區形成過程中，上覆巖層已發生多次運動和破壞，覆巖結構極不穩定；在采掘作用下煤柱區覆巖破斷范圍與采掘區斷裂范圍成為整體，相互影響、協同運動，擾動遠、范圍大，甚至遠距離微小的擾動亦能引起煤柱區巖體破裂、滑移和突然卸壓，處于相對平衡狀態的煤柱上方與兩側覆巖結構二次活化失穩，誘發大能量礦震。破斷產生的強礦震以應力波的形式對煤柱區施加動載荷，原本較高的靜載荷與動載荷應力疊加超過煤巖體極限強度，同時聚集在煤巖體中的彈性能與礦震釋放傳播的震動能相互疊加，從而導致處于極限狀態的煤巖體系統沖擊破壞，即靜載主導—動載誘發的動靜載疊加誘沖機理[9].動靜載疊加沖擊破壞示意圖見圖2.

圖2　動靜載疊加沖擊破壞示意圖

2.3　工作面沖擊危險性分析

綜上分析，9煤回風下山處于采區孤島煤柱內，同時受大采深、強沖擊傾向性、頂底板條件、礦震動載等多種因素影響，且煤柱區多次發生沖擊動力顯現。經綜合指數法分析[1]，工作面沖擊危險指數為0.81，具有強沖擊危險，工作面沖擊危險性整體較高。

3工作面底板沖擊弱化控制措施

根據底板沖擊礦壓危險性的分析，基于沖擊礦壓強度弱化減沖原理[10]，對巷道進行煤體大直徑鉆孔、底板預裂爆破、頂板預裂爆破等卸壓措施是解決底板沖擊礦壓的直接有效的途徑。

1) 煤體大直徑鉆孔卸壓。隨巷道掘進在迎頭及兩幫實體煤進行大直徑鉆孔預卸壓，提前弱化煤體。技術參數：a) 迎頭布置3個鉆孔，每推進10 m交替布置一組三花眼和倒三花眼鉆孔(超前卸壓范圍不低于5 m)，幫部孔距：1.6 m.b)孔深15 m，孔徑125 mm.c) 鉆孔距巷道底板1.2 m，平行煤層，垂直煤壁，單排布置。鉆孔布置見圖3.

圖3　煤體大直徑鉆孔布置示意圖

2) 底板預裂爆破。巷道下一循環之前，配合煤體大直徑鉆孔實施底板爆破卸壓，降低底板彈性能并釋放高水平應力。技術參數：a) 孔徑42 mm，間距5 m，孔深6～8 m. b) 鉆孔三花眼布置，距煤幫底腳0.5 m，垂直于軸線方向，與水平方向成75°.c) 每孔裝藥3 kg.鉆孔布置見圖4.

圖4　底板預裂爆破鉆孔布置示意圖

3) 頂板預裂爆破。

工作面上方16.35 m的砂巖直接頂容易積聚彈性能，是底板沖擊的重要因素。若在采取上述措施后，沖擊危險仍未能得到有效降低，需實施頂板預裂爆破。技術參數：a) 間距5 m，孔徑42 mm，孔深10 m.b) 鉆孔距頂角0.3～0.5 m，垂直于軸線方向，與水平方向成75°. c) 每孔裝藥3 kg，封孔長度不小于3 m.鉆孔布置見圖5.

9煤回風下山2012年8月5日早班在掘進迎頭附近發生一起底板沖擊動力顯現，底鼓嚴重，之后在迎頭向后60 m范圍內實施頂板預裂爆破。爆破后誘發多個煤炮、板炮；鉆屑量大幅度降低，鉆進過程中沒有明顯的卡鉆、吸鉆和鉆進困難等異常現象；煤柱區礦震活動趨勢明顯減弱，效果良好。

圖5　頂板預裂爆破鉆孔布置示意圖

4結論

1) 某礦掘進工作面具有強沖擊危險性，整體沖擊危險性較高，主要沖擊影響因素為采區孤島煤柱、大采深、強沖擊傾向性、頂底板條件、礦震動載等。

2) 深井下山煤柱區覆巖運動劇烈、應力高度集中，高靜載主導—強動載誘發的動靜載疊加底板誘沖機理。

3) 為保證工作面安全生產，基于沖擊礦壓強度弱化減沖原理，對巷道實施煤體大直徑鉆孔、底板預裂爆破、頂板預裂爆破卸壓等措施，現場效果良好。

參考文獻

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Floor Heave Bursting and Its Prevention and Control of Kilometer Deep Downhill Coal Pillar Region

ZHU Zhenping

AbstractBased on the actual conditions and the floor heave burst dynamic appearance in No.9 coal return air downhill of a coal mine, analyzes the causes of the rock burst and establishes the floor burst pressure control system. The results show that the face has a strong burst hazard, mainly influencing factors are downhill island coal pillar, large mining depth, roof and floor conditions, coal seam strong burst tendency and so on. Downhill coal pillar zone overlying strata movement is violent, the stress is highly concentrated, under high static load the mine earthquake dynamic disturbance induced floor burst. The face before excavate takes coal large diameter drilling pre-discharge pressure. During excavate based on the monitoring results implement the measures of roof and floor pre-splitting blasting pressure relief burst releasing. The site effect is good. The research results can provide the reference for the similar conditions of coal and rock dynamic disaster prevention.

Key wordsKilometer deep well; Downhill coal pillar region; High static load; Floor; Rock burst; Intensity weakening

中圖分類號：TD324

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)12-0019-03

作者簡介：朱振平(1988—),男，山東嘉祥人，2009年畢業于太原理工大學，工程師，主要從事采礦技術管理和技術研究工作(E-mail)hyzfmkj@sina.com

收稿日期：2015-10-23