近距離煤層開采沖擊地壓防治技術研究

劉 鵬曲延倫劉寶亮

（1.兗州煤業股份有限公司南屯煤礦，山東省鄒城市，273500；2.兗州煤業股份有限公司生產技術部，山東省鄒城市，273500）

★ 煤炭科技·開拓與開采★

近距離煤層開采沖擊地壓防治技術研究

劉 鵬1曲延倫2劉寶亮1

（1.兗州煤業股份有限公司南屯煤礦，山東省鄒城市，273500；2.兗州煤業股份有限公司生產技術部，山東省鄒城市，273500）

南屯煤礦的3上、3下煤層間距2～13 m，3上煤層開采中受巨厚紅層初次斷裂影響引發強礦震，并誘發采場形成沖擊災害，且在3下煤層開采中仍發生強礦震。分析了開采3下煤層上覆巖層的冒落和移動規律，得出3下煤層采動引發礦震的機理。依據礦震誘發沖擊機理，通過采取優化采面開采布局、減小采動對沖擊危險區擾動和優化巷道支護體參數等措施，有效地保證了被解放層采場的作業安全，實現了安全開采。

近距離煤層開采 被解放層 巨厚巖層 礦震 沖擊地壓

煤層群賦存條件下的沖擊危險性煤礦，通過開采解放層進行區域防沖，對于相鄰煤層的開采能夠起到卸壓作用，從而降低工作面沖擊危險性。南屯煤礦3上煤層與3下煤層距離較近，而其覆巖賦存一層厚度近200 m的堅硬紅層，在3上煤層工作面實施了解放層開采后，3下煤層工作面開采時微震監測顯示局部集聚大量能量，導致工作面發生沖擊。基于動力學理論，煤層上覆堅硬紅層是覆巖結構中的主關鍵層，對工作面直到地表的穩定起到至關重要的作用，受3上煤層與3下煤層工作面多次采動影響，主關鍵層發生運動、破斷，致使工作面發生沖擊性礦震。

以南屯煤礦九采區3下煤層工作面開采為例，分析二次采動對上覆巨厚堅硬紅層的擾動影響規律，揭示重復開采誘發覆巖主關鍵層再次運動、破斷的機理。基于此，確定3下煤層工作面的應力影響區域、圍巖薄弱區和支護結構等，通過優化工作面開采設計方案、改變巷道結構形狀、提高巷道支護強度、控制工作面開采速度等措施，有效控制近距離煤層重復開采過程中沖擊災害事故的發生。

1　開采條件

1.1工程概況

南屯煤礦九采區主采3上、3下兩層煤，3上煤層工作面作為解放層現行開采，目前3上煤層布置的11個綜采工作面已經全部回采結束，3下煤層93下01、93下03、93下05、93下16、93下14、93下12工作面也已回采結束，93下10工作面正在回采。3上與3下煤層工作面編號相對應，同層區段之間留設3～4 m小煤柱，近似無煤柱開采。采區中部留設寬為220 m的煤柱，保護-440 m水平3條準備巷道。九采區煤層采深在491～655 m，平均埋深550 m。3上煤層平均開采厚度約為5.2 m，3下煤層平均開采厚度約為3.2 m，煤層傾角約為5°。3上與3下煤層層間距在2～13 m之間，平均為5.6 m，巖性為粉砂巖，層間距離由采區的東南部向采區的西北部緩慢增加。兩層煤具有強沖擊傾向，頂板巖層具有弱沖擊傾向。九采區3上、3下煤層及頂板巖層分布見圖1。

圖1　九采區3上、3下煤層及頂板巖層分布

根據關鍵層理論計算可知，九采區3上煤層以上110 m賦存的厚度200 m的堅硬紅層砂巖是主關鍵層，堅硬砂巖的變形、運動、破斷對工作面至地表巖層的運動起到關鍵作用。

1.23上煤層開采礦震特征及地表沉降規律

在3上煤層工作面開采過程中巨厚紅層砂巖斷裂形成了不規律的大能量微震事件，尤其是93上08工作面在回采過程中采集到能量在103J以上微震事件140次，其中有27個105J以上的大能量礦震事件。

九采區3上煤層工作面開采結束后，在93上08工作面上方地表形成的最大沉降為1.531 m，地表最大沉降系數為0.29。根據地表沉陷規律分析可知，3上煤層開采后巨厚紅層發生初次斷裂，由于其位于的彎曲下沉帶僅發生了較小的位移運動，3上煤層的開采并未造成巨厚紅層砂巖層達到垮落極限。因此，在近距離3下煤層開采中將繼續成為上覆巖層的承載主體。

1.33下煤層回采礦震特征

93下12工作面回采期間累計采集到能量103J以上的微震事件27次，其中有3次能量105J以上的大能量微震事件，大能量微震基本分布工作面采空區邊緣，這主要是由于采空區邊緣非穩定覆巖結構運動所致。

雖然，93下12工作面回采是在其上覆3上解放層工作面回采后進行的，但回采期間能量106J以上事件仍然出現，并在工作面局部位置礦壓顯現劇烈，如頂板錨索被剪斷和拉斷、超前單體液壓支柱扭曲和折斷等現象。

2　沖擊地壓機理分析

基于上述九采區微震監測信息及礦震特征，九采區3上煤層工作面回采使得上覆巖層的亞關鍵層破斷失穩，低位巖層破斷使得其與主關鍵層發生離層，主關鍵層內應力急劇增加，一旦發生變形極易破斷釋放大量能量。3上煤層回采誘發上覆堅硬砂巖破斷具有以下規律。

主關鍵層-巨厚堅硬砂巖在工作面回采過程巖層失穩時釋放大量能量，說明該巖層強度高、完整性好，具備積聚能量的能力；而大能量時間分布未表現出明顯的規律性，說明該砂巖材料具有非均勻性，導致其破斷后塊體形狀的非均勻性。

3下煤層的采動相對于3上煤層開采時對頂板活動的影響范圍增加，增加3.2 m的采空空間，必然引起上覆巖層的二次冒落、破斷，誘發高位的關鍵層砂巖再次運動失穩，產生礦震影響工作面的穩定。

3下煤層工作面回采時，低位巖層冒落后與上覆高位巖層間出現離層空間，關鍵層達到極限破斷強度后巖塊破斷為兩塊，巖塊間通過水平推力產生的摩擦力克服巖塊間的剪切力，一旦水平推力形成的摩擦力小于剪切力，關鍵層將發生滑落失穩。關鍵層劇烈運動以動載荷的形式加載到工作面附近巖層導致工作面發生沖擊。巨厚堅硬砂巖在釋放能量過程中內部裂紋逐漸擴展、連通，在裂紋尖端形成應力集中，一旦大量的剪切裂紋連通將會使砂巖發生二次剪切破斷導致礦震發生。

當工作面在采區邊緣及保護煤柱附近開采時，采動作用下覆巖破斷頂板與周圍已經破斷后穩定的頂板再次形成非穩定結構，礦壓顯現范圍進一步擴大。關鍵層在采區邊界及煤柱處的支反力等于巖層自重與上覆荷載之和，當3下工作面回采期間使得支反力減小，同時巖層上覆荷載增加，上覆關鍵層結構需要的水平推力和所需的支反力均達不到原平衡條件所需的量值，故結構發生失穩，向下運動釋放能量，極易形成礦震，導致下位亞關鍵層發生沖擊。

3　沖擊地壓防治技術

根據九采區3下煤層工作面開采誘發礦震的機理分析，上覆堅硬紅層砂巖失穩產生礦震將會波及到附近工作面。因此，必須首先需要確定工作面的沖擊危險區域，然后進行工作面布局優化和巷道支護設計優化等。根據九采區特殊的開采地質條件和開采經驗認為可能的沖擊危險區域包括3上煤層采空區邊緣高應力區、各種留設煤柱內的高應力區及3下煤層巷道支護強度薄弱部位。

根據確定的危險區域，并結合礦震發生特征進行了工作面開采布局優化、減小開采對沖擊危險區擾動和巷道支護體參數優化等防沖技術研究及現場應用。

3.13下煤層工作面開采防沖方案

（1）優化工作面開采布局，改善工作面應力場環境。根據3上煤層開采應力場分布情況，在3下煤層開采前進行工作面優化布置，設計3下煤層工作面支護參數。根據3上煤層采空區邊緣側向支承壓力分布特點，3下煤層巷道為避開上覆巖層傳遞來的應力集中，采取內錯式的巷道布置形式，下煤層工作面內錯于上部煤層采空區邊緣應不小于5 m，這樣下部巷道布置在上部煤層采空區內，相對比較穩定。

（2）優化巷道斷面及參數，提高巷道圍巖結構抗沖能力。原巷道斷面為矩形，極易在巷道頂角及底腳發生大變形破壞，因此將巷道斷面優化為梯形，減小頂板暴露寬度，減小頂板下沉。增加棚梁支護，采用礦用工字鋼，將棚梁布置于相鄰兩排錨桿間，固定于梁架上，在其頂部采用均勻背板，同時允許圍巖發生適度變形，充分發揮圍巖的支承能力。棚梁兩端距離巷幫留有一定間隙，防止兩幫承壓導致棚梁受壓彎曲失效。在局部巷道頂板壓力顯現時，增加支撐式柱腿。在兩煤層間距小于4 m區域，采用上留頂煤、下破底板巖石的方式確保頂板夾矸厚度，保證頂板支護結構的有效性。

（3）巷道圍巖支護結構優化，將圍巖由兩向應力狀態轉化為三向受力狀態。沖擊性地層內巷道需要圍巖支護結構和強度具有抵抗沖擊的能力。而地質條件引起的需加強支護的薄弱區域有煤層相變區、斷層帶附近、巖層富水區及圍巖破碎帶。一般傳統的錨網支護在上述區域進行支護效果較差，需要采用綜合支護技術提高圍巖強度，如錨網索+U型鋼聯合支護。

在巷道掘進及回采期間詳細記錄危險區域信息，包括地點、范圍、巖性描述、原支護參數、礦壓數據等，設計合理的加強支護方案，同時考慮回采擾動的抵抗能力；回采期間在巷道超前段設置超前液壓支架，預防沖擊發生造成巷道損壞；嚴格控制回采速度，使工作面采空區有時間緩慢冒落，減小開采擾動對覆巖關鍵層的影響；采用大直徑深孔頂板巖層卸壓、增設巷道防沖吸能超前液壓支架。

3.23下煤層工作面防沖技術應用

93下10工作面為九采區第10個工作面，該工作面北部、東部為采空區，南部為-440 m下山保護煤柱，煤柱以南工作面均回采結束，故煤柱內積聚高應力，93下10工作面與下山煤柱形成了較大的孤島煤柱，具備發生強烈礦震的條件。

綜合分析工作面開采地質條件和以往積累的開采經驗，制定了專門的防沖方案:優化工作面巷道布置，考慮93下10工作面周圍采空區和下山煤柱情況，將工作面緊鄰下山煤柱側巷道內錯于93上10工作面采空區以里20 m；巷道設計為梯形斷面，采用錨網索+U型鋼聯合支護；高應力區實施鉆孔卸壓，釋放應力；超前支護增設超前支架，提高超前巷道抵抗沖擊能力。

工作面回采期間采用微震監測技術實時采集工作面微震事件，經統計93下10工作面回采期間累計發生了103J以上能量的微震8次，其中有3次能量在105J的微震發生在-440 m下山煤柱邊緣，工作面記錄到的最大礦震能量達到了2.0×106J，礦區震感明顯，而工作面內發生明顯的礦壓顯現，這主要是巷道掘進及回采期間采取了有效的防沖手段，保證了工作面安全開采。

4　結論

（1）南屯煤礦特有的巨厚堅硬砂巖頂板條件使得3上和3下煤層開采時，關鍵層破斷誘發礦震，釋放的能量波及工作面附近導致工作面發生沖擊地壓。

（2）被解放層開采下巨厚巖層具有兩種失穩類型引發礦震:3下煤層開采后增加了開采空間，使工作面在橫向和縱向擾動范圍均大幅度增加，為主關鍵層提供了變形運動的空間，致使原平衡的梁式結構容易發生失穩，也使上覆關鍵層懸梁跨度增加，梁中積聚大量應變能，一旦關鍵層失穩將釋放大量能量，發生強烈礦震。

（3）針對3下工作面沖擊地壓危險機理，通過優化工作面開采設計、降低危險區域的擾動強度、優化巷道斷面設計、優化巷道支護，最終實現了安全回采。

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（責任編輯 張毅玲）

Research on prevention and control technology of rock burst in close distance coal seams mining

Liu Peng1，Qu Yanlun2，Liu Baoliang1
（1.Nantun Coal Mine of Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Zoucheng，Shandong 273500，China；2.Production Technology Department，Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Zoucheng，Shandong 273500，China）

The distance between the upper No.3 coal seam and lower No.3 coal seam of Nantun Coal Mine was 2-13 m，strong mine earthquakes affected by the first breakage of extra thick red bed occurred in upper No.3 coal seam，and the mine earthquakes caused rock burst disasters in working face，moreover，strong mine earthquakes also occurred in the mining of lower No.3 coal seam.The caving and moving laws of overlying rock stratum in the mining of lower No.3 coal seam were analysed，and the mechanism of mine earthquake triggered by the mining of lower No.3 coal seam was worked out.On the basis of the mechanism，through optimizing mining arrangement and roadway support parameters and decreasing the disturbance of mining on rock burst danger area were adopted，which ensured safety in production of protective coal seam and realized safety mining.

close coal seams mining，protective coal seam，extra thick rock stratum，mine earthquake，rock burst

TD324

A

劉鵬（1974-），男，山東鄒城人，工程師，主要從事煤礦采掘及沖擊地壓防治技術管理工作，現任南屯煤礦生產技術科副科長、防沖辦副主任。