千米深井半孤島工作面沖擊危險性評價與綜合防治

楊賢江 梁東輝

（淄博礦業集團有限責任公司， 山東 淄博 255120）

沖擊地壓是指煤礦井下巷道或者工作面周圍的煤巖體由于其內部積聚的彈性變形能的瞬間釋放而產生突然劇烈破壞的動力現象，沖擊地壓發生時，經常伴有煤巖體拋出、巨響和氣浪等。沖擊地壓具有很強的破壞性，有時會引起數百米巷道的嚴重破壞，是煤礦的幾大災害之一。目前隨著我國淺部煤炭資源逐漸減少，煤礦開采深度逐漸增加，因而越來越多的煤礦受到沖擊地壓的威脅。煤礦井下開采時受到各種各樣因素的影響，為了保證工作面的正常接續，避免相鄰工作面之間采掘的相互影響，有時會采用跳采的方式進行接續，從而產生非對稱結構構成的半孤島工作面，半孤島工作面的形成會使得工作面附近區域煤巖體內的應力分布更加的不均勻，增加沖擊地壓發生的風險。為保證該類工作面的安全生產，有必要對其沖擊危險性進行評價，采取針對性的防治措施，以指導現場工程應用。

1 工作面概況

高家堡煤礦為典型的大采深、多災害并存礦井，目前主采4煤層埋藏深，102工作面標高為 +112.1m～ +129.9m，地面標高 為 +956.9m～+1142.6m，地質構造較為復雜。礦井地應力場以水平應力為主，屬于水平應力場類型，經測定，高家堡煤礦最大水平主應力在37.29～38.67MPa之間，屬超高地應力區，此類型地應力場對巷道頂底板的穩定較為不利。礦井也曾發生過多起大巷掘進期間的強烈動力現象，多次造成掘進迎頭及已支護段出現大面積頂板瞬間下沉或切頂，下沉量最大700mm，厚度達200mm的支護體整體冒落，頂板錨索頻繁破斷，嚴重時期甚至導致皮帶掀翻、掘進機發生顯著位移等現象。102工作面為礦井一盤區第三個開采工作面，在101面采空區及103面的東北側，與103工作面保護煤柱為6m，為典型的大采深半孤島工作面，工作面所采4煤屬于Ⅲ類，為具有強沖擊傾向性煤層。4煤的頂、底板巖層均屬于Ⅱ類，為弱沖擊傾向性的頂、底板巖層，在工作面回采過程中具有發生沖擊地壓事故的危險性。

2 工作面非對稱圍巖結構分析及沖擊危險性評價

沖擊地壓的力學來源于工作面靜載荷以及動載荷的疊加。其中的靜載荷有地應力、支承壓力、構造應力、斷裂應力等，動載荷由采掘工作面生產過程中煤巖體的斷裂、頂板巖層的斷裂活動、斷層的活化等產生的礦震形成。半孤島工作面特別的圍巖結構形態決定了其沿空側巷道與實體煤側巷道圍巖位移和受力具有非均稱特性，特別是沿空側巷道處于動壓區，頻繁的采動影響導致其特殊的圍巖結構，沿空動壓巷道圍巖結構如圖1所示。

圖1 半孤島工作面沿空動壓巷道圍巖結構圖

受鄰近工作面采動影響，不同開采時期半孤島沿空動壓巷道基本頂圍巖結構不同，在開采之初圍巖結構如圖1（a）所示，逐漸向圖1（b）轉變，此時頂煤和窄煤柱會迅速的由彈性體變成塑性體，承載能力降低。該階段巷道應力集中較為強烈，圍巖變形較大，這就要求巷道的支護體在具有較高的支護強度的同時必須還能夠進行適當的變形。最終半孤島工作面沿空巷道形成圖1（c）弧形三角塊結構，此階段基本頂的巖層會出現斷裂以及旋轉下沉，對沿空巷道形成動載荷持續性的靜載，進而導致巷道的破壞和持續性變形，因此此階段對巷道的變形影響最大。

影響102工作面沖擊地壓危險狀態的影響因素有：開采深度、煤層及頂板沖擊傾向性、頂板巖層結構、采空區影響、煤柱留設、底煤厚度、斷層構造影響、地貌地形等。為保證工作面的安全生產，行之有效的方法是對工作面沖擊危險性進行預評價，劃定沖擊地壓危險性，截止到目前，國內外學者進行了深入研究，已經提出了多種評價沖擊危險性的方法，以綜合指數法應用最為廣泛。

根據高家堡煤礦影響沖擊危險的7個地質因素和12個開采技術因素并分析確定各因素的權重，依據綜合指數法計算得到工作面沖擊危險性綜合評價結果如表1所示。

表1 102工作面沖擊危險性綜合評價結果

從表1可以看出，102工作面具有強沖擊危險，由表中可見以地質因素影響的沖擊地壓危險指數較高，表明地質因素對工作面沖擊危險性起主導作用。煤層上方有巨厚巖層，巨厚巖層在未破斷前由于持續懸頂會對下部的煤巖體產生持續的靜載荷，致使煤巖體內彈性變形能持續積聚，在懸頂破斷時，還會對煤巖體施加一個較大的動載荷進而誘發沖擊地壓。上述因素綜合影響，使得102工作面的沖擊危險性增加。另外，102工作面在掘進過程中，留設底煤較厚，更進一步增強了102工作面回采期間的沖擊危險。

3 沖擊地壓治理方案

在沖擊地壓危險性預評價的基礎上，為及時有效的預測沖擊危險程度，圈定可能發生沖擊地壓區域，盡快采取治理措施解除沖擊危險，在正常回采過程中，采用ARAMIS M/E微震監測系統對集中動載荷進行監測，得到礦井范圍內微震事件的坐標、能量以及數量等信息。利用KJ743煤礦沖擊地壓應力無線監測系統和KJ216煤礦頂板動態監測系統對集中靜載荷進行監測。現場使用鉆屑法進行監測，綜合以上信息進行沖擊危險程度的判定，并制定以大直徑鉆孔卸壓為主、煤層爆破卸壓為輔的沖擊地壓治理方案。

3.1 大直徑鉆孔卸壓

由于102工作面沖擊危險程度較高，在掘進期間已按照1.6m間距對兩順槽布置了大直徑卸壓鉆孔，回采期間的常規卸壓方法仍以大直徑鉆孔為主，俯視圖如圖2所示。

圖2 大直徑卸壓孔俯視圖

（1）施工區域：自工作面切眼開始，施工位置位于巷道回采幫及底板。因煤層變薄等因素影響無法施工的地點除外。

（2）施工參數：鉆孔直徑150～153mm，鉆孔深度25m，距底板高度1.5～2.2m，使用黃泥封孔，封孔深度不小于2m。

（3）鉆孔間距：

① 強沖擊危險區域內，施工雙排卸壓孔，孔間距0.8m，排間距0.5m，傾角與煤層傾角相同；

② 中等沖擊危險區域施工單排孔，孔間距0.8m，傾角與煤層傾角相同；

③ 弱沖擊危險區域施工單排孔，孔間距1.6m，傾角與煤層傾角相同。

工作面沿空側，由于其應力異常集中現象更為明顯，且應力集中程度更高，必要時可采取加密鉆孔間距的方式，對重點區域進行重點的大直徑鉆孔卸壓處理。

3.2 煤層爆破卸壓

在監測到沖擊危險時，且采用大孔徑卸壓效果不明顯時，應對煤層實施爆破卸壓，工作面危險區域爆破卸壓如圖3所示。

圖3 工作面危險區域爆破卸壓示意圖

在工作面生產幫進行爆破卸壓時，炮孔距離巷道底板1.2～1.5m，平行煤層傾向，孔深15m，直徑42mm，孔間距5m。裝藥長度8m，共計8kg，采用正向裝藥，使用導爆索和1個毫秒延期電雷管起爆，在引爆藥卷的外端放入2塊水炮泥，其余全部用炮泥填實，同時起爆，封孔長度不低于7m，一孔一放，鉆孔長度小于8m不得裝藥爆破。

3.3 效果檢驗

對于防沖的卸壓解危效果必須進行解危效果檢驗，一般是通過微震監測、應力監測和鉆屑監測等監測手段來對比解危前后各種監測數據的變化。若解危措施實施后，各監測結果表明仍然存在沖擊危險，則繼續進行卸壓解危，并進行再次效果檢驗，直至沖擊危險得到解除。同時根據工作面不同區域沖擊危險程度的不同針對性的制定相應的防沖措施，從防范與治理方面往下開展，在先后采取各種治理措施的同時及時采用鉆屑法進行檢驗，并確定下一部治理或者解危措施。

4 結論

（1）高家堡煤礦為典型的千米采深礦井，102工作面具有強沖擊危險性，開采煤層具有強沖擊傾向性，頂底板具有弱沖擊傾向性，底煤厚度大，具有厚硬頂板，都使工作面回采期間具有發生沖擊地壓事故的危險性。

（2）半孤島開采圍巖結構決定其沿空側巷道支承壓力容易發生異常集中，在工作面掘進布置大直徑卸壓的基礎上，在回采期間采用大直徑鉆孔卸壓為主、煤層爆破卸壓為輔的沖擊地壓解危措施，特別是針對其半孤島的沿空側，必要時可采取加密大直徑卸壓鉆孔間距的方式，以進一步降低工作面應力集中程度，對保證工作面安全生產具有重要意義。

（3）在工作面采取沖擊地壓防治措施后，需及時對解危措施進行檢驗，檢驗方法有鉆屑法、微震監測等，直至解除該區域沖擊危險為止。