深部應力主導型突出精準防控技術實踐

李思乾

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

“十三五”期間我國煤炭占一次能源消費的比例在50%以上，煤炭仍是我國的主導能源，其基礎能源的地位促使煤炭資源加快開采，尤其是中東部經濟相對發達地區，煤炭經過長期開采，淺部資源逐漸枯竭[1]。基于此，我國新建投產了一批深部礦井，其基巖層薄、表土層厚，該類礦井煤層埋深大、瓦斯賦存均勻性差、存在明顯的高應力危害。然而，煤與瓦斯突出是煤礦井下一種極為復雜的動力災害，它是地應力、瓦斯及煤巖體物理力學性質綜合作用的結果。煤礦進深部開采后，煤巖體物理性質、地應力、瓦斯等因素發生顯著改變，出現了高地應力、高非均質性、高溫、高滲透壓和低滲透性等復雜環境[2-4]。在這種復雜的開采條件下，采用集約化高強度開采技術，工作面附近煤巖體塑性應變耗能減少、圍巖彈性能積聚，工程作用力及外界誘導能量顯著增加，導致煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災害問題更加嚴重，并且有多種災害耦合發生的趨勢[5-8]。如我國的陜西、河南、安徽等地深部突出礦井出現了新的災害特征，其發生的瓦斯條件更低、強度更大、預測及防治難度加大，深部礦井精準可靠的動力災害防控技術已成為制約深部礦井安全高效開采的主要因素。為此，以深部礦井朱集西礦11-2 煤層11501工作面為例，通過對煤巖層物理力學參數、煤層瓦斯參數測試及煤巖層賦存地質條件綜合分析，進行了精準動力災害屬性分析、區域危險性預測、針對性治理技術應用研究，實現了工作面安全回采。

1 工程概況

朱集西礦位于淮南煤田的北部、朱集至唐集背斜東段的南翼，處于南北2 個逆掩斷層對沖的下盤，受南北2 個壓應力的擠壓，地質構造復雜。礦井分2個水平開采，一水平標高-962 m，二水平標高暫定為-1 150 m，地表標高約+23 m。礦井埋深大，地應力顯現較為明顯，側壓系數最大為1.55，應力集中程度相對較高。

11-2 煤層 11501 工作面埋深 980～1 080 m，平均厚度 1.60 m，平均傾角 5°，地勘瓦斯含量為 1.75～14.82 m3/t，瓦斯組分為 N2∶CO2∶CH4=3.51%～51.49%∶3.79%～16.46%∶32.05%～94.13%。頂板巖性以泥巖、細砂巖（單向抗壓強度分別為 41.13、74.99 MPa）為主，頂板 34～46 m 范圍有 1 層厚度 4.5～10.5 m 的細砂巖。工作面中南部沿煤層走向存在1 條寬緩的史圩向斜和落差8～15 m 的斷層，區域內小斷層較為發育。工作面采用傾斜長壁一次采全高后退式機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。11501 工作面布置平面圖如圖1。

圖1 11501 工作面布置平面圖Fig.1 Layout plan of 11501 working face

2 動力災害屬性及危險區精準預測

2.1 動力災害屬性

煤層突出危險性大小受地應力、瓦斯壓力和煤巖層物理力學性質綜合控制。礦井進入深部開采后，地應力狀態由淺部構造應力主導逐漸向深部的兩向等壓狀態和超深度的三向等壓狀態轉變，地應力平均值及增長梯度逐漸增大，應力水平的增加和狀態的改變，是導致突出災害加劇的主控因素[9-12]。地應力對煤體結構和瓦斯壓力均起到控制作用，是突出的主要動力來源。礦井動力災害的發生與煤巖體介質屬性、環境應力集中程度、地質構造及堅硬巖層的賦存情況等有密切的關系。基于此，主要從煤巖層參數、瓦斯地質條件及煤巷掘進資料分析11501 工作面動力災害屬性。

1）煤層瓦斯及煤巖層力學參數。經測試，一水平 11-2 煤層瓦斯壓力 0.24～1.2 MPa、瓦斯含量3.73～8.38 m3/t、軟分層破壞類型 IV 類、瓦斯放散初速度 9～13 mmHg（1 mmHg=133.322 4 Pa）、堅固性系數 0.36～0.98，煤樣動態破壞時間 360 ms、彈性能指數 2.443 4，沖擊能指數 1.52，單軸抗壓強度12.264 MPa，頂板細砂巖彎曲能量指數268 kJ。依據相關標準規范[13-14]，朱集西礦11-2 煤層具有突出危險性及弱沖擊傾向性，其頂板細砂巖具有強沖擊傾向性。

2）煤層賦存地質因素。煤層埋深越大，所受地應力越大，煤體中積蓄的彈性能和瓦斯內能越大。11501 工作面埋深 960～1 080 m，礦井在-951.0 m 東翼回風巷實測最大主應力為27.86 MPa，最大和最小主應力為近水平方向，中間主應力近垂直方向，側壓系數1.55。根據地應力量級按絕對量值的劃分標準，史圩向斜軸部、FD35斷層附近區域可能超過30 MPa，且在煤層頂板 34～46 m 范圍存在厚度 4.5～10.5 m 的堅硬細砂巖，存在高地應力危險。

3）煤巷掘進資料。11501 工作面煤巷條帶采用底板穿層鉆孔預抽瓦斯區域措施，經區域措施效果檢驗合格后（殘余瓦斯含量低于8 m3/t）局部預測鉆孔仍出現頂鉆、噴孔、響煤炮、鉆屑量超標（最大鉆屑量 Smax=8.2～36 kg/m）、鉆屑有明顯升溫、粒度大于3 mm 的占50%左右等動力危害預兆，在斷層、褶曲或煤厚變化等地質構造附近則更為明顯，而工作面瓦斯濃度無明顯變化。經研究分析表明，區域防突措施有效后，鉆屑量超標及明顯的動力現象主要由地應力引起，瓦斯參與的能力較弱。

綜上，11-2 煤層具有瓦斯突出、高地應力危險，容易誘發應力主導型煤與瓦斯突出事故，即11-2煤層為應力主導型突出煤層、11501 工作面具有應力主導型突出危險。

2.2 區域危險性精準預測

在煤巖體開挖過程中，地應力以彈性能的形式存在煤巖體的局部區域，以損傷弱化巖體性質的方式做功，同時地應力場與采掘期間產生的再生應力具有可疊加性，增加了地應力的破壞程度和動力災害發生的頻率，特別是進入深部開采后，地應力作用更加凸顯[15-16]。對于應力主導型突出煤層危險性預測，僅考慮瓦斯指標存在一定的局限性，應在充分考慮地應力危險程度的基礎上，根據礦井實際情況確定合理的突出預測指標。

2.2.1 高應力危險區

高地應力是誘發沖擊地壓的必要條件，主要影響因素有地質因素和開采技術因素，其危險程度根據綜合指數 Wt的大小分為無沖擊（Wt≤0.25）、弱沖擊（0.25＜Wt≤0.5）、中等沖擊（0.5＜Wt≤0.75）、強沖擊（Wt＞0.75）4 個等級。區域危險性預測采用綜合指數法計算綜合指數，確定其危險等級，危險狀態評估指數計算方法為[13-14]：

式中：Wt1、Wt2分別為地質因素、開采因素確定的沖擊地壓危險指數。

式中：Wgi、Wmi為第 i 個地質因素、開采因素的評估指數；Wgimax、Wmimax為第i 個地質因素、開采技術因素的指數最大值；n1、n2為地質因素、開采技術因素的數目。

依據礦井11501 工作面11-2 煤樣力學參數測試結果，結合地質和開采技術因素分析確定綜合指數Wt=0.47，判定首采面11-2 煤層具有弱沖擊危險。

根據理論研究及開采實踐[17]，在斷層、褶曲等構造區域形成過程中煤巖體內積聚了大量的彈性能，且存在殘余應力，軸向上與采掘活動形成的超前支承應力疊加，造成應力集中，形成較大的空間應力梯度，在采掘擾動的影響下可能誘發斷層活化，增加了煤巖體承受的靜載壓力，超過其承載極限，導致動力災害的發生；工作面見方及停采線區域，上覆存在堅硬的厚層砂巖，在周期來壓時頂板活動劇烈，煤體應力集中程度較高，存在高地應力危險。基于此，按照《沖擊危險性預測與評價指標體系》采用多因素耦合法，分析各個因素的影響權重，得出了11501 工作面斷層、褶曲及首次見方區域、停采線兩側50 m 范圍具有高應力危險，11501 工作面高地應力危險區與突出危險險區預測結果如圖2。

2.2.2 突出危險區

根據相關標準，煤與瓦斯突出危險性區域預測應根據井下實測的瓦斯壓力和含量進行。11501 工作面煤巷掘進期間，實測的11501 工作面瓦斯含量梯度關系圖如圖3。

由圖3 可知，工作面瓦斯含量 4.74～8.39 m3/t，瓦斯含量隨煤層標高延深的相關性系數為0.123 7，離散性較大，表明礦井進入深部開采后，在高地應力場、較高溫度場和較高孔隙壓力場的影響下，瓦斯含量與煤層埋深不再呈現明顯的線性關系，局部區域存在高瓦斯區[18-19]。因此，對于應力主導型突出煤層的區域突出危險性預測不能簡單按煤層標高進行，同時，考慮到高應力對突出危險性的促進作用，將突出危險性指標與抵抗煤體破壞的能力（堅固性系數）結合，進一步優化應力主導下突出預測的指標臨界值。根據國內外學者對煤最小突出壓力的研究表明，最小突出壓力與煤體的堅固性系數及揮發分有密切的關系，目前常用的經驗公式為：

圖2 11501 工作面高地應力危險區與突出危險險區預測結果Fig.2 Prediction results of high ground stress dangerous area and outburst dangerous area in 11501 working face

圖3 11501 工作面瓦斯含量梯度關系圖Fig.3 Gradient diagram of gas content in 11501 working face

式中：pmin為發生瓦斯突出的臨界瓦斯壓力，MPa；Vdaf為煤層的揮發分；fmin為煤層最小堅固性系數；△p 為煤的瓦斯放散初速度，mmHg。

經測試，11501 工作面11-2 煤層堅固性系數為0.64～0.98，揮發分為 37.89%～39.17%。根據式（4）～式（6）及朗格繆爾方程，11-2 煤層在高應力條件下預測有突出危險的瓦斯含量臨界值為7.23 m3/t。根據實測瓦斯含量繪制瓦斯含量的等值線圖，將原始瓦斯含量超標的區域視為突出危險區，11501 工作面11-2 煤層區域突出危險性預測結果如圖2。

3 應力主導下突出防治技術

深部礦井地應力對瓦斯賦存起著主控作用，降低煤巖層應力是深部礦井突出災害防控的核心，既能降低煤巖體儲存的彈性能，又能提升煤層透氣性，促進瓦斯抽采，降低瓦斯內能[20-21]。

朱集西礦11-2 煤層為應力主導型突出煤層，具備高地應力危險和斯突出危險雙重災害特征，根據本次危險區域預測結果，針對高應力危險區采取釋放煤巖體彈性能的技術措施，針對煤與瓦斯突出危險區采取消減瓦斯內能的技術措施，針對兩者重疊區域采取復合技術措施，根本上實現應力主導型突出災害的分區、分級一體化防治。

3.1 高應力危險區防治技術

1）大直徑順層鉆孔卸壓技術。在煤體內施工大直徑鉆孔后，大量的煤渣被排出，鉆孔周圍煤體應力峰值減小并向煤體深部轉移，在高應力作用下不同的鉆孔周圍產生裂隙并發生破壞，形成1 條更大范圍的破裂區，使煤體充分卸壓，減弱了發生突出的動力。基于此，針對高應力危險區在軌道巷、運輸巷施工直徑為108 mm 的順層鉆孔，間距為5 m，孔深為50 m；大直徑順層卸壓鉆孔布置示意圖如圖4。

圖4 大直徑順層卸壓鉆孔布置示意圖Fig.4 Layout of pressure relief drilling along the layer

2）頂板深孔預裂爆破技術。針對高應力危險區超前工作面50 m 采取頂板深孔預裂爆破卸壓措施。爆破后產生過了相互貫通的裂隙網，破壞頂板的完整性，提前釋放煤巖層組合結構積聚的大量彈性能，削弱了煤巖層內應力集中，達到卸壓目的[22]。在11501 工作面軌道巷、運輸巷每組間隔15 m 施工爆破鉆孔，每組3 個，鉆孔直徑85 mm，開孔位置為巷道頂板下部0.5 m，每組施工順序分別為G1、G2、G3、Y1、Y2、Y3。頂板深孔預裂爆破鉆孔布置示意圖如圖5，頂板深孔預裂爆破鉆孔參數見表1。炸藥采用煤礦許用水膠炸藥，藥卷直徑63 mm，各組孔采用串聯電爆網路，用分段毫秒雷管起爆導爆索，導爆索起爆炸藥，采用正向起爆。

圖5 頂板深孔預裂爆破鉆孔布置示意圖Fig.5 Diagram of drilling arrangement for deep-hole pre-splitting blasting of roof

表1 頂板深孔預裂爆破鉆孔參數Table 1 Drilling parameters of roof deep hole pre-splitting blasting

3）煤層注水。煤層注水后，使煤體顆粒間黏聚力減小，接觸面間的摩擦力降低，煤體塑性提高，降低了煤體的沖擊傾向性，同時根據水驅替瓦斯等氣體的原理，降低了瓦斯內能。因此，煤層注水不僅釋放了煤體彈性能而且降低了瓦斯內能，減小了復合動力災害發生的概率[23-24]。工作面回采期間，在高應力危險區超前工作面80 m 利用順層卸壓鉆孔進行靜壓注水，注水壓力2.0 MPa，封孔深度10 m。為更好的濕潤煤體，采用間歇注水，每注8 h，停注4 h，采用每米有效鉆孔流量取0.01 m3/h，檢驗指標為含水率增量不小于2%。煤層靜壓注水系統如圖6。

3.2 突出危險區防治技術

圖6 煤層靜壓注水系統圖Fig.6 Diagram of coal seam hydrostatic water injection system

針對突出危險區，采用大直徑順層鉆孔預抽技術。在煤體內施工大直徑鉆孔，促使煤體卸壓、裂隙發育，使煤體內瓦斯充分釋放，為瓦斯運移提供通道，在抽采負壓的作用下將瓦斯抽出，減少了煤層中儲存的瓦斯內能，提高了煤體強度，降低了突出發生的概率。在11501 工作面軌道巷、運輸巷施工直徑為108 mm 的順層鉆孔，間距10 m，孔深120 m，錯位壓茬10 m。順層預抽鉆孔布置圖如圖7。

圖7 順層預抽鉆孔布置圖Fig.7 Layout of pre-pumping and drilling along the layer

3.3 鄰近層瓦斯抽采技術

根據11-2 煤層11501 工作面及上覆13-1 煤層瓦斯賦存，采用分源預測法預測11-2 煤層回采期間瓦斯涌出以鄰近層為主，11501 工作面回采期間采用地面鉆井及井下穿層鉆孔相結合的方式抽采13-1 煤層卸壓瓦斯。

1）地面鉆井卸壓抽采。工作面中部沿傾斜方向布置6 個地面鉆井，間距240 m，終孔位于11-2 煤層頂板10～15 m，孔徑177.8 mm，抽采鄰近煤層的卸壓瓦斯。

2）井下穿層鉆孔攔截抽采。在11501 工作面頂板巷施工上向穿層鉆孔抽采上鄰近層卸壓瓦斯，鉆孔孔徑108 mm，間距為20 m×40 m，地面鉆井周圍50 m 及其下方區域不施工抽采鉆孔，井下穿層鉆孔布置圖如圖8。

4 動力災害精準防控效果

圖8 井下穿層鉆孔布置圖Fig.8 Cross section of borehole layout of underground through layer

針對11501 工作面高應力危險區采用大直徑順層卸壓鉆孔、頂板預裂爆破及煤層注水措施后，回采期間采用鉆屑解吸指標法執行循環預測，預測鉆孔未出現夾鉆、頂鉆等異常動力現象，最大鉆屑量Smax=2.6～3.9 kg/m。預測指標 Smax隨工作面回采的分布情況如圖9。同時，在工作面前方100 m 范圍內取多組煤樣測試其含水率增量平均為3.05%，滿足含水率增量不小于2%的要求，起到了注水卸壓的作用。

圖9 預測指標Smax 隨工作面回采的分布情況Fig.9 Distribution of prediction index Smax with mining of working face

11501 工作面突出危險區內布置效檢鉆孔20個，軌道巷、運輸巷各布置10 個，鉆孔間距40 m，深度不小于40 m，采用SDQ 深孔定點取樣設備取煤樣，直接法測試瓦斯含量，實測最大殘余瓦斯含量為5.14 m3/t，小于突出指標臨界值，表明順層鉆孔預抽煤層瓦斯的區域防突措施效果有效。

11501 工作面回采期間地面鉆井及井下穿層鉆孔抽采。經計算，回采期間共抽采卸壓瓦斯1 283.1萬m3，13-1 煤層瓦斯抽采率達81.4%，大量的卸壓瓦斯被抽排，避免了卸壓瓦斯向鄰近層涌出，使回采期間回風流瓦斯濃度維持在0.45%以下，11501工作面回采期間回風流瓦斯濃度變化曲線如圖10。工作面回采期間未出現瓦斯超限事故，實現了工作面安全回采。

圖10 11501 工作面回采期間回風流瓦斯濃度變化曲線Fig.10 Variation curve of gas concentration in return air flow during coal mining of 11501 working face

5 結 論

1）根據煤層實測瓦斯參數及煤巖層力學參數，朱集西礦11-2 煤層具有突出危險性、弱沖擊傾向性，頂板細砂巖具有強沖擊傾向性。結合煤巷掘進過程動力危險預兆，11501 工作面具有應力主導型突出危險。

2）針對應力主導型突出動力災害的特征，分別從高應力危害及瓦斯突出2 個方面綜合考慮，采用瓦斯地質及綜合指數法將工作面劃分出高應力危險區和突出危險區，實現了危險區精準預測。

3）針對不同危險區域采取了卸壓、煤層注水及鉆孔預抽瓦斯等復合措施，11501 工作面回采期間未出現異常動力現象，局部預測 Smax=2.6～3.9 kg/m、回風流瓦斯濃度維持在0.45%以下，實現了應力主導型突出災害的有效防治。

4）深部應力主導型突出精準防控該技術實現了復合型動力災害分區、分級的精準治理，有效防止了動力災害的發生，實現了工作面安全回采。