急傾斜特厚煤層沖擊地壓防治技術實踐研究

王 建，杜濤濤，劉旭東，藍 航

(1.神華新疆能源有限責任公司，新疆烏魯木齊830084;2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

1 礦井概況

烏東煤礦井田面積約20.28km2，地質資源量1.32Gt，設計可采儲量0.694Gt。B1+2煤和 B3+6煤為全區可采的2層巨厚煤層，布置了B1+2工作面和B3+6工作面，B1+2煤層平均厚度37.45m，B3+6煤層位于B1+2煤層北部，與B1+2煤層相距53～110m，煤層平均厚度48.87m，兩煤層傾角平均88°，工作面采用水平分層綜采放頂煤后退式回采方式，階段高度為25m，全部垮落法處理頂板。

2 急傾斜特厚煤層沖擊地壓發生原因

2.1 沖擊地壓發生情況

2013年7月2日5點08分，烏東煤礦+500m水平B3+6綜放工作面發生沖擊地壓顯現。+500m水平 B3巷沖擊顯現范圍1070～1450m，其中，1265～1365m范圍內顯現較嚴重，巷道南幫底角出現底鼓，底鼓量200～450mm，北幫懸掛的電纜掉落，南幫錨桿位移，位移量100～250mm，托盤崩脫，“U”型鋼棚收縮，收縮量400mm，巷道幫鼓量達到500mm。+500m水平B6巷沖擊地壓顯現范圍1066～1272m，其中，1066～1100m范圍內沖擊地壓顯現嚴重，該范圍內巷道南幫幫鼓，幫鼓量500～900mm，南幫底角底鼓，底鼓量 200～500mm，南幫高壓電纜接線盒掉落，膠帶H架輕微變形。+475m水平B6巷沖擊地壓顯現影響范圍1080～1203m，該范圍內巷道南幫底鼓，底鼓量150～300mm，南幫出現不同程度的變形，變形量300mm。

2.2 沖擊地壓發生原因

(1)地質因素 根據煤巖層沖擊傾向性鑒定結果，烏東煤礦B3+6煤屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的煤層，該煤層頂板巖層應屬Ⅱ類，為具有弱 (偏向于強)沖擊傾向性的頂板巖層。

+500m水平B3+6工作面平均埋深350m，其底板為53～110m的厚層巖柱，頂板也是厚層巖層，煤巖自身沖擊傾向性、埋深及頂底板巖層結構是沖擊地壓發生的必要條件［1－2］。

(2)開采技術因素 +500m水平為回采水平，+475m水平為掘進水平，因礦井單翼布置工作面，不可避免出現采掘相向的影響;水平分段高度為25m，煤層傾角88°，屬于近直立的急傾斜煤層，類似開采條件的礦井發生過嚴重沖擊地壓案例［3－4］。礦井采掘期間主要在切眼煤柱、廢棄礦井煤巖柱、老礦井倉儲式開采遺留煤柱、停采線煤柱區域礦壓顯現強烈，前期缺少有效監測設備進行危險源辨識，初步分析開采技術因素是誘發沖擊地壓發生的主要因素。

(3)危險源辨識 為辨識水平分段綜放開采的主要危險源，采用微震監測系統監測采礦誘發圍巖活動。按微震事件不同能量等級進行統計，統計結果如圖1所示，其中，等級Ⅰ:0～103J;等級Ⅱ:103～104J;等級Ⅲ:104～105J;等級Ⅳ:105～106J;等級Ⅴ:106～107J;等級Ⅵ:107～108J;等級Ⅶ:108J以上。

圖1 微震事件能量等級

綜合分析現場礦壓顯現與不同能量級的關系，分析得到誘發沖擊地壓顯現的主要是高能事件，即能量等級IV～等級VII的事件，約占微震事件的8%。

圖2所示為高能微震事件不同區域分布統計結果。高能量事件主要分布在B2－B3巖柱中，近百米厚的巖柱是高能量事件產生的主要區域，是導致沖擊地壓顯現的主要危險源。

圖2 高能量事件分布

3 急傾斜特厚煤層沖擊地壓防治實踐

確定了B2－B3煤層巖柱活動是影響沖擊地壓的主要危險源，因此急傾斜特厚煤層沖擊地壓防治重點是控制B2－B3煤層巖柱劇烈活動，但急傾斜特厚煤層頂底板處理尚無成熟經驗可借鑒，需通過現場實踐研究急傾斜特厚煤層巖層控制技術。

根據地表觀測結果可知，B2－B3巖柱垂直方向未出現斷裂，形成數百米高近似垂直巖層，該巖層破裂過程容易失穩產生高能量事件，并以動載荷作用施加到工作面煤體引起沖擊顯現，主要從以下2個方面開展現場防沖實踐［5－7］:

(1)空間結構破斷防沖 沿巖層的一定高度進行空間預裂，采用地面深孔預裂爆破切斷巖層的活動影響范圍和降低能量的積聚。一方面降低大范圍的巖層活動對工作面回采的影響，另一方面降低懸頂長度，減少巖層的彎曲彈性變形能的積聚和釋放。

(2)強度弱化防沖 實施注水軟化回采空間周圍巖層，降低巖層的強度。一方面釋放巖層積聚的彈性應變能，另一方面減弱高能量事件產生的動載作用［8］。

3.1 地面爆破現場實踐

(1)爆破位置 如圖3所示，根據地面垮落和工作面危險區域防治需要，地面沿B2－B3巖柱傾向方向布置，對應1400m石門位置處。

(2)鉆孔施工 使用潛孔鉆機施工4個爆破孔，爆破孔底標高為+600m水平 (地面標高+850m水平)，爆破孔直徑300mm，孔深250m，炮孔角度90°，孔間距10m。

(3)裝藥及爆破 爆破采用單孔分2段裝藥、4個孔一次性爆破的方式，炸藥采用乳膠基質炸藥。每個孔分2段裝藥，每段裝藥長度60m，裝藥量5760kg，孔間由木樁填塞。

圖3 地面爆破孔布置示意

(4)效果檢驗 圖4為采用PASAT－M便攜式微震儀對巖柱應力的探測結果，探測區域其他條件基本一致，巖體動態應力與地震波波速大小成正比，震動波波速高的區域相應的應力也就越大。地面爆破前，巖柱應力集中影響區域大，應力集中程度高;地面爆破后，巖柱測區平均波速由原來的3.8m/ms降為3.6m/ms，巖柱高應力集中影響范圍及集中程度明顯降低。因此，地面爆破改善了巖柱應力分布，降低了巖柱整體的應力水平與巖柱的整體性。

圖4 地面爆破前后PASAT－M探測結果

3.2 巖層注水現場實踐

(1)鉆場布置 為了注水弱化堅硬巖層，在+500m水平B2巷1355m處開口，垂直巷道幫沿巖體傾向施工石門和鉆場。石門長度20m，斷面4m2，鉆場斷面18m2。

(2)注水參數 如圖5所示，在硐室東西兩側沿巖柱走向兩側各布置2個注水孔，注水孔角度9°和80°，孔徑113mm，1號孔長度192m，2號孔長度105m，3號孔長度114m，4號孔長度299m。封孔長度15m，用馬麗散封孔。1號注水孔水壓達到8MPa左右時，在1320m處出現漏水現象后停止注水，注水歷時2d。2號注水孔水壓達到8MPa左右時，石門淋水較大，故停止注水，注水歷時1d。3號孔注水壓力達到12MPa，持續2d后水壓降到7MPa左右，3d后停止注水。4號孔注水壓力達到12MPa，持續2d后水壓降到8MPa左右，8d后停止注水。

圖5 巖柱石門注水孔布置

(3)效果檢驗 圖6為微震監測巖柱注水前后的微震事件頻次分布，反映了巖柱整體活動劇烈程度，現場實踐表明:注水前巖柱高能事件頻發，注水后高能量事件有效降低，巖柱的能量得到有效釋放;注水后，低能量等級微震事件上升，高能量等級微震事件降低，說明注水有效降低了巖柱活動的劇烈程度。

圖6 巖柱注水前后的微震事件頻次分布

4 結論

烏東煤礦沖擊顯現發生后，綜合利用空間結構破斷和強度弱化防沖思想，開展了巖柱地面深孔預裂爆破和注水軟化現場實踐。實踐表明，巖柱地面爆破可以有效改善應力分布和降低巖柱中的應力集中程度;注水也可以有效釋放巖柱能量和降低巖柱活動強烈程度。但目前針對急傾斜特厚煤層沖擊地壓的防治技術國內外研究較少，形成有效、經濟的控制技術任重道遠。

［1］竇林名，何學秋.沖擊礦壓防治理論與技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2001.

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