深部特厚煤層工作面超前沖擊危險范圍研究及其防治

董近興

（陜西正通煤業有限責任公司，陜西 咸陽713600）

目前，我國煤炭資源逐漸轉入深部開采，深部采場圍巖受“三高一擾”影響，采場圍巖所處應力狀態不斷惡化，沖擊地壓等動力災害越發頻繁[1]。工作面礦壓顯現規律及超前動壓影響范圍的確定對工作面沖擊地壓防治至關重要，作為一種礦區區域沖擊危險監測手段，微震監測技術在工作面礦壓顯現研究方面得到廣泛應用[2]。王杰基于新巨龍礦井深部沿空工作面地質條件，根據微震監測系統的監測數據，分析了工作面微震活動規律，確定了工作面開采影響范圍大致在工作面后方100 m 到工作面前方200 m 范圍內[3]。李青鋒等對比分析了工作面回采過程中微震和支架在線監測系統數據, 并結合理論分析確定了工作面周期來壓步距及關鍵層[4]。呂鵬飛等結合東灘煤礦微震監測的震動能量、頻次特征，工作面開采速度特征以及采動應力分布特征, 研究了礦井工作面的回采參數對微震分布的影響規律[5]。牛立生等利用微震監測系統在在工作面回采前確定了工作面超前動壓影響范圍, 再根據動壓影響范圍確定了采掘安全距離[6]。本文利用礦井高精度微震監測系統，分析了工作面回采過程中微震超前分布特征，確定了工作面超前沖擊危險區域范圍，并結合具體地質條件，制定了相應了工作面超前區域卸壓解危措施，可為類似礦井回采工作面沖擊地壓防治提供借鑒。

1 工程概況

高家堡煤礦204 工作面為二盤區設計回采第四個工作面，位置如圖1 所示，西北側為已準備205 工作面，東南側相隔7m煤柱為203 工作面采空區，西南側為可采邊界線，東北側為西區膠帶大巷。204 工作面設計回采長度1455m，工作面長度200m，工作面開采單一4 煤層，煤厚5.9～15.0m，平均11.0m，煤層底板標高+72.4～+147.0m，煤層起伏較大，204 工作面走向呈向斜構造，軸部位于底板泄水巷附近。

煤層直接頂為厚度平均為1.5m 的泥巖，老頂為厚度平均為4.2m 的粉砂巖，直接底為厚度為2.2m 的泥巖。工作面采用走向長壁后退式采煤方法，綜合機械化放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板，其中截至2020 年3 月204 工作面已回采1000m。

204 工作面對應地面標高為+943.6～+1177.7m，204 工作面埋深近1000m，由礦井最大主應力達42 MPa，且煤層具有強沖擊傾向，204 工作面具有強沖擊危險。

204 工作面回采過程中超前工作面區域出現較為強烈的礦壓顯現，具有一定的沖擊危險性。本文利用礦井現有ARAMIS微震監測系統實時監測工作面礦震數據，分析回采過程中工作面礦震分布情況，以明確工作面超前影響范圍，為超前卸壓解危提供依據。

圖1 204 工作面位置

2 微震活動特征

2.1 微震系統

高家堡煤礦2019 年5 月ARAMIS 微震監測系統布置如圖2所示。可以看出，此時微震監測系統臺網布置能夠對204 工作面回采區域形成有效包圍，可實現對工作面區域礦震的精準監測，且后期根據推采進度對臺網進行了3 次優化，確保監測精度。

圖2 ARAMIS 微震監測系統臺站布置

2.2 微震活動演化特征

2019 年5 月至2020 年3 月期間204 工作面微震平面分布情況如圖3 所示。可以看出，204 工作面微震以3 次方和4 次方事件為主，工作面微震分布隨工作面推進而不斷向前推移，說明204 工作面區域礦震主要是采動動載導致。

圖3 204 工作面微震活動演化

圖4 順槽斷頂孔布置參數

圖5 扇形斷頂孔布置參數

由工作面微震演化可知，在工作面回采初期，在工作面超前支承壓力、臨近工作面采空側向支承壓力及工作面動載耦合作用下，礦震主要分布在工作面走向后方臨近采空區及走向超前300m 范圍內；后期工作面向向斜軸部區域推進時，微震事件超前分布范圍有所降低，在7 月31 日，微震超前分布范圍為180m；2019 年9 月，工作面回采至204 工作面措施巷區域，由于該處接近向斜軸且巷道交叉，圍巖應力進一步升高，在工作面動載擾動下其微震超前工作面分布范圍增大至210m；工作面過向斜軸后，在2019 年11 月31 日，工作面微震主要分布在超前160m 范圍內；2020 年1 月，204 工作面推進至工作面傾向煤層傾角變化區域，構造應力有所增加，導致微震超前分布范圍有所增加，為220m；2020 年3 月，雖然204 工作面仍處于煤層傾角變化區域，但是工作面開采強度降低僅推進約20m，其微震超前分布范圍降低為190m。

總體而言，204 工作面微震超前分布范圍為160m-300m。在204 工作面由切眼向向斜軸部俯采及向撤面巷仰采過程中，工作面微震超前分布范圍先減小后增大，同時受巷道布置及開采強度影響。

3 卸壓解危措施

為保證204 工作面生產安全，根據第2 章工作面微震分析結果，確定工作面超前沖擊危險區域范圍為300m，結合204 工作面地質條件，現場在超前工作面300m 區域采取了大直徑鉆孔+煤體爆破+頂板深孔預裂爆破的工作面卸壓解危措施。

3.1 幫部大直徑鉆孔卸壓

大直徑鉆孔垂直于煤幫，運輸順槽側間距1m，回風順槽側間距2m，孔徑150mm，孔深為30m。

3.2 煤體爆破

現場監測204 工作面超前區域運輸順槽側礦壓顯現較為明顯，在204 工作面運輸順槽側超前300m 范圍內實施煤體爆破，煤體爆破鉆孔垂直于巷幫布置，鉆孔直徑為Φ44mm，孔深不小于15m，孔間距5m，鉆孔距煤層底板1.0～1.5m，裝藥5.0kg，封孔長度大于5m，采用正向連續裝藥，連線方式為串聯，正向一次起爆，毫秒延期電雷管起爆。

3.3 頂板深孔預裂爆破

為切斷深部堅硬頂板應力傳遞途徑，204 工作面超前進行頂板深孔預裂爆破。

3.3.1 順槽斷頂孔

在巷道頂板中部單排布置，爆破孔間距設置為5m，傾角55°，孔深52m，鉆孔直徑為Φ85mm，裝藥量不少于30kg，封孔不低于孔深的1/3，采用正向連續裝藥，連線方式為串聯，正向一次起爆，毫秒延期電雷管起爆，布置參數如圖4所示。

3.3.2 工作面扇形斷頂孔

204 工作面超前300m 區域實施扇形預裂爆破孔，預裂爆破孔組間距20m，鉆孔直徑為Φ85mm，傾角分別為50°和65°，鉆孔長度覆蓋堅硬厚層，封孔長度不低于孔深的1/3，布置參數如圖5 所示。204 工作面超前300m 區域實施上述大直徑鉆孔+煤體爆破+頂板深孔預裂爆破卸壓解危措施后，工作面未出現沖擊顯現現象，且工作面區域煤炮聲明顯減少，保證了204 工作面的安全生產。

4 結論

4.1 204 工作面微震超前分布范圍為160m-320m。在204 工作面由切眼向向斜軸部俯采及向撤面巷仰采過程中，工作面微震超前分布范圍先減小后增大，同時受巷道布置及開采強度影響。

4.2 結合微震分析，確定工作面超前卸壓解危范圍為300m，采取大直徑鉆孔+煤體爆破+頂板深孔預裂爆破相結合的卸壓解危方案，保證工作面安全生產。