堅硬頂板工作面采空區見方階段動壓顯現規律及防治技術

李國營 張呈祥

(1. 內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責任公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017300；2. 山東能源淄博礦業集團有限責任公司，山東省淄博市，255100)

上覆巖層的斷裂、失穩和運動是造成工作面礦壓顯現的根源，而在工作面采空區見方階段，覆巖活動最為強烈，采空區頂板活動強度達到峰值，頂板斷裂產生的動載較大，動壓顯現劇烈，工作面動壓顯現危險性隨之增強。當工作面距切眼的距離等于工作面長度時，即為一次見方；距切眼的距離等于工作面長度2倍時，即為二次見方，以此類推。

1 巴彥高勒礦井1103工作面概況

1103工作面是巴彥高勒礦井11盤區的第3個工作面，工作面寬260 m，長3600 m，煤層厚度平均為5.5 m，煤層傾角平均為1.5°，煤層賦存穩定，地質構造簡單。煤層硬度為2.6～3.7，老頂為平均厚度13.5 m的中粒砂巖，老底為7.5 m厚的中粒砂巖。1103工作面與1102采空區之間煤柱寬度為30 m。相鄰1102工作面回采期間動壓顯現明顯，尤其是當工作面推采至約230 m時，受一次見方影響，在沿空巷道出現了冒頂和瞬時底鼓現象，給礦井安全生產造成了一定的影響。1103工作面相對位置如圖1所示。

圖1 1103工作面相對位置圖

2 1103工作面一次見方階段動壓顯現規律

2.1 動壓顯現情況

2016年1月7日，1103工作面推采至228 m時，一次見方影響開始顯現；1月9日，工作面推采至253 m時，見方影響最大；1月14日，工作面推采至290.6 m時，見方影響開始減弱；1月19日，工作面推采至311 m時，見方影響已不明顯。具體礦壓顯現情況見表1。

表1 1103工作面一次見方動壓顯現統計表

2.2 微震顯現情況

2.2.1 微震活動趨勢分析

1103工作面一次見方前后1個月時間段內的微震活動趨勢如圖2所示，其中不包括能級小于102J微震事件。由圖2可知，2016年1月7日-1月21日，1103工作面在一次見方區域推采，期間微震頻次和能量均明顯較高，表明一次見方對工作面微震顯現影響較大。

圖2 1103工作面一次見方前后微震活動趨勢圖

1103工作面一次見方期間微震數據統計見表2。由表2可知，1103工作面一次見方期間，共監測到微震事件1348起，總釋放能量為8.3×105J，平均每天微震頻次90次，平均每天微震能量5.5×104J，與非見方影響區域相比，微震頻次和能量分別增加了64%和150%。

表2 1103工作面一次見方期間微震數據統計表

2.2.2 微震事件平面分布

1103工作面一次見方影響區域102J能量以上微震事件平面分布圖見圖3。1103回風巷一側微震事件比較集中，尤其是大能量微震事件多發生在工作面保護煤柱及回風巷以西160 m范圍內，表明微震活動受1103工作面超前支承壓力和1102采空區側向支承壓力疊加影響。1103主運巷和輔運巷微震顯現不明顯，動壓顯現危險程度低。

另外，微震事件主要分布在距切眼158～388 m 范圍橢圓形區域內，橢圓中心區域距切眼約270 m，正位于一次見方位置附近，表明一次見方位置頂板裂隙持續向上發育，頂板活動依次向前后兩側輻射，并逐漸遞減。

圖3 微震事件平面分布圖

3 1103工作面多次見方階段動壓顯現規律

3.1 二次見方階段

1103工作面在距切眼451～491 m范圍推采期間，受二次見方影響，出現了頂板壓力積聚、巷道底鼓及兩幫收斂變形速度加快、溜尾及回風巷超前區域漏頂、壓架等“蠕變”現象。

1103工作面二次見方前后1個月時間段內的微震活動趨勢如圖4所示，其中不包括能級小于102J微震事件。

圖4 1103工作面二次見方前后微震活動趨勢圖

由圖4可知，2016年2月25日—3月13日，1103工作面在二次見方區域推采，期間微震頻次和能量均明顯較高，二次見方對工作面微震顯現影響較大。

1103工作面二次見方期間微震數據統計見表3。由表3可知，1103工作面二次見方期間，共監測到微震事件1164起，總釋放能量為6.5×105J，平均每天微震頻次65次，平均每天微震能量3.6×104J，與非見方階段相比，微震頻次和能量分別增加了18%和64%，與一次見方階段相比，微震頻次和能量分別減少了14%和22%。

表3 1103工作面二次見方期間微震數據統計表

3.2 三次見方階段

1103工作面在距切眼705～815 m推采期間，受三次見方影響，出現煤炮增多現象，但現場也沒有出現動壓顯現現象。

1103工作面三次見方前后1個月時間段內的微震活動趨勢如圖5所示，其中不包括能級小于102J微震事件。由圖5可知，2016年4月26日—5月13日，1103工作面在三次見方區域推采，期間微震頻次和能量雖有所升高，但影響時間短，也沒有對現場造成影響，表明三次見方對工作面微震顯現影響不大。

圖5 1103工作面三次見方前后微震活動趨勢圖

1103工作面三次見方期間微震數據統計見表4。由表4可知，1103工作面三次見方期間，共監測到微震事件527起，總釋放能量為3.9×105J，平均每天微震頻次29次，平均每天微震能量2.2×104J，與非見方階段相比，微震頻次和能量變化不大，與一次見方階段相比，微震頻次和能量分別減少了61%和53%。

表4 1103工作面三次見方期間微震數據統計表

1103工作面三次見方以后的見方影響已不明顯，可忽略不計。

4 采空區見方區域的爆破斷頂措施

為減小采空區見方對1103工作面安全回采的不利影響，對回風巷見方前后50 m范圍進行了深孔爆破斷頂。具體施工參數如圖6所示。

圖6 1103工作面回風巷見方區域爆破斷頂剖面圖

4.1 施工參數

施工區域為見方區域前后50 m；每2個鉆孔為1組，鉆孔開孔位置分別為兩幫肩窩處；生產幫鉆孔按45°仰角施工，孔徑75 mm，孔深45 m，間距10 m，裝藥量18 kg；非生產幫鉆孔按50°仰角施工，孔徑75 mm，孔深35 m，間距10 m，裝藥量15 kg。

4.2 施工情況

工作面一次見方、三次見方前后50 m均按設計進行了深孔爆破斷頂，二次見方區域由于礦用乳化炸藥供應不連續，未能采取爆破斷頂措施。

5 爆破斷頂效果評價

5.1 礦壓顯現對比分析

5.1.1 與1102工作面一次見方階段對比

1102工作面一次見方期間動壓顯現比較劇烈，導致回風巷大面積冒頂，超前支架被壓歪、壓實，多處頂板錨桿、錨索被拉斷，嚴重影響了礦井安全生產。

1103工作面回風巷一次見方區域采取了深孔爆破斷頂措施，雖然出現了微震活動加劇、輕微底鼓等現象，但總體比較平穩，未對礦井安全生產造成影響。

5.1.2 與1103工作面二次見方階段對比

1103工作面二次見方區域未采取爆破斷頂措施，推采期間，在回風巷超前區域出現了嚴重巷道變形和漏頂、壓架等動力現象。由于未采取斷頂措施，上覆堅硬巖層的“蓄能”能力依然較強，在二次見方的作用下，導致了頂板動壓顯現現象的發生。

5.2 周期來壓強度分析

1103工作面一次見方期間支架工作阻力情況如圖7所示。

圖7 1103工作面一次見方期間支架工作阻力曲線

由圖7可以看出，工作面在一次見方影響區域推采期間，即1月5日—1月12日(距切眼201～278 m)，由于之前在此處進行了爆破斷頂，周期來壓顯現均不明顯，來壓期間的支架工作阻力明顯低于未爆破區域。表明爆破斷頂促進了頂板裂隙發育，達到了人為控制頂板活動、降低周期來壓能量的目的。

5.3 鉆孔窺視分析

為校驗1103回風巷爆破斷頂預裂效果，采用YF1407型多功能鉆孔探測儀對效果觀測孔進行了鉆孔窺視。鉆孔不同深度處裂隙發育情況如圖8所示。

圖8 鉆孔不同深度處裂隙發育情況

通過鉆孔探測儀探測發現，孔內裂隙發育明顯，有效斷頂直徑超過了6 m，其中距孔口23 m處出現塌孔現象，說明該位置巖體受爆破斷頂沖擊影響最大，裂隙得到充分貫通、發育。

5.4 微震數據分析

對工作面推采進入斷頂區域前后的微震活動進行分析，結果如圖9所示。

圖9 微震能量趨勢分析

由圖9可知，進入斷頂區域后，微震活動整體減弱，但受三次見方影響，局部區域微震活動有所波動，由于采取了斷頂措施，三次見方區域大能量微震波動持續時間短，且未對現場造成破壞。

6 結論

(1)1103工作面一次見方、二次見方、三次見方階段，均表現出明顯的頂板壓力增大、煤炮增多等動力現象，微震活動也表現出頻次和能量升高的特征。見方影響范圍為見方前75 m至見方后51 m，一次見方對動壓顯現的影響最大，往后依次減弱，三次見方以后的見方影響可忽略不計。

(2)通過微震活動分析，在工作面見方位置，頂板裂隙持續向上發育，頂板活動依次向前后兩側輻射，并逐漸遞減。

(3)通過采取深孔爆破斷頂措施，周期來壓的強度顯著降低，表明爆破斷頂促進了頂板裂隙發育，達到了人為控制頂板活動、降低周期來壓能量的目的。

(4)經鉆孔窺視分析，爆破斷頂有效范圍超過了6 m，并實現了對目的巖層的有效預裂。

(5)在未采取爆破斷頂措施的1102工作面一次見方及1103工作面二次見方區域，均出現了不同程度的動壓顯現，對安全生產造成了較大影響，而采取了爆破斷頂措施的1103工作面一次見方、三次見方區域，則未出現動壓顯現，表明深孔爆破斷頂對于見方階段動壓災害防治、巷道穩定性維護效果明顯，并起到了關鍵性作用

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