姚橋煤礦7013 工作面沖擊地壓防治技術研究

王登高

（中煤集團大屯公司姚橋煤礦，江蘇 沛縣 221611）

沖擊地壓是指煤巖體霎時被破壞并伴隨著大量能量釋放的一種動力現象，常伴隨著煤巖體移動、飛出、轟鳴及氣浪等現象，具有突發性、瞬時破壞性，極易造成重大人員傷亡事故[1-4]。

目前，姚橋煤礦正在作業的中央采區開采深度達到900 m，應力較高，該礦也多次發生沖擊地壓顯現。正在開采7013 工作面受臨近工作面不規則遺留煤柱及下山孤島煤柱影響，沖擊危險性較高。因此制定合理的卸壓措施并進行效果檢驗，有效降低7013 工作面沖擊地壓發生的危險性[5]。

1 工程概況

姚橋煤礦其中央采區開采上限為-650 m，下限為-850 m，走向長度2080～2920 m，平均為2435 m，傾向寬度1150 m。7013工作面走向長度約為1170 m，傾向長度約為190 m，工作面標高-826.3～ -876.3 m，煤層主要以7 煤為主。工作面內斷層較多，且落差較大。

7013 工作面臨近7011 采空區，以中央采區下山煤柱為界與7010 工作面相望。7013 工作面受開采布局影響，初采階段工作面局部應力集中程度可能較高，存在一定的沖擊地壓危險[6]。

2 工作面多因素耦合評價及危險區域劃分

7013 工作面影響沖擊地壓危險的主要因素有：斷層、煤柱、初次來壓、工作面“見方”等。根據這些主要影響因素對工作面沖擊危險進行分級分區[7-9]，最終按照沖擊危險多因素疊加原則對上述各因素劃分的危險區域和等級進行疊加，確定工作面采掘期間的危險區域及危險等級。

2.1 地質構造影響

工作面地質構造是誘發沖擊地壓的主要因素之一，在斷層附近會造成煤巖局部應力集中，從而可能發生沖擊地壓。實踐表明，當工作面臨近斷層布置，會在工作面和斷層間的煤柱形成較高的應力集中，從而積聚大量的彈性能，并且隨著工作面布置與斷層距離的減小，積聚的能量不斷增加，沖擊地壓的危險性也就越大。

7013 工作面落差大于5 m 的斷層主要有4 條，主要分布在材料道和切眼附近。在溜子道中部與巷道斜交的f278～f280 斷層，落差均在4 m 左右。由于斷層分布比較集中，因此將落差小于10 m 的斷層前后20 m 巷道范圍劃分為強沖擊危險區域，落差大于10 m 的斷層前后30 m 巷道范圍劃分為強沖擊危險區域。

2.2 煤柱影響

7013 工作面受煤柱影響區域主要表現在兩方面：一方面是受上區段殘留煤柱的影響，另一方面是下山孤島煤柱的影響。

2.3 巷道交叉影響

在巷道轉彎、交叉位置容易形成應力集中，產生大量震動，是容易發生沖擊礦壓事故的區域。這些區域易出現高能量的礦震，而高能量礦震的發生反映了較高的應力集中水平，沖擊危險性較大，會對工作面回采產生一定的影響。7013 工作面溜子道與中央Ⅱ采區軌道下山和皮帶下山相互貫通，在巷道轉彎、交叉位置容易形成應力集中，產生大量震動，是容易發生沖擊地壓事故的區域。

2.4 停采線處超前支承壓力影響

停采線附近區域影響沖擊危險程度的重要因素是停采線是否對齊。由于停采線不對齊，下山孤島煤柱不規整，存在多處拐角，局部煤體應力集中程度可能更高，在工作面回采后期較易發生沖擊危險。

當回采至設計停采線時，7013 工作面前方兩巷將受到超前支承壓力的影響，產生較高的應力集中區，因此將停采線前方工作面兩巷前50 m 范圍劃分為強沖擊危險區域。

2.5 工作面覆巖運動影響

（1）初次來壓

根據工作面實際回采經驗，預計基本頂初次來壓步距為30 m 左右，我們將基本頂初次來壓材料道前后20 m 范圍劃分為強沖擊危險，溜子道劃分為中等沖擊危險，并加強頂板支護，提高支架初撐力。

（2）工作面“見方”階段

在這個階段，工作面沖擊危險性較高。受7013工作面開切眼外寬度130 m的煤柱結構影響，“見方”階段具有一定的不確定性，考慮到“見方”的不確定性因素，劃定材料道前后50 m 范圍為強沖擊危險區域，溜子道前后50 m范圍為中等沖擊危險區域。

2.6 回采階段沖擊危險區多因素疊加結果

通過沖擊危險區的多因素疊加，考慮到7013工作面溜子道較材料道應力集中程度降低，故應力疊加情況根據實際地質條件進行相應調整，疊加后得到該工作面回采階段沖擊危險區域等級劃分結果如圖1[5]。

圖1 7013 工作面回采期間沖擊危險多因素疊加結果

3 沖擊地壓卸壓措施

根據7013 工作面斷層群及不規則遺留煤柱影響區域的沖擊地壓發生特征與機理，從預卸壓和主動解危兩個方面提出指向性的局部防沖措施，可逐級使用大直徑鉆孔卸壓、頂板預裂爆破、煤體卸壓爆破、煤層注水等方法。

3.1 煤體大直徑鉆孔卸壓

為了降低煤巖體內的高應力，使用煤體大直徑鉆孔卸壓措施。大直徑鉆孔卸壓一般用于掘進迎頭和采煤工作面巷道煤幫超前卸壓，通過施工卸壓鉆孔，降低煤巖體應力集中程度，鉆孔具體布置參數根據劃分的沖擊危險強度。中等危險區域：巷道每隔2～3 m 實施一個大直徑鉆孔，鉆孔垂直于實體煤幫，距離底板1.0～1.6 m，大直徑鉆孔孔徑150 mm，孔深為20 m。回采期間大直徑卸壓鉆孔位置與掘進期間卸壓鉆孔位置錯開實施，施工時應避免鉆入頂底板巖層。強沖擊危險區域：巷道每隔1～1.5 m 實施一個大直徑鉆孔，其他布置參數同中等危險區域。

若鉆屑法等檢驗超標，實施解危處理。鉆孔參數：孔徑150 mm，孔深25 m，在預卸壓孔中間進行加密卸壓，孔間距不大于1 m，卸壓范圍為異常區域前后10 m，垂直巷道走向、平行于煤層層面進行施工。如果鉆孔卸壓效果不理想，則進行卸壓爆破，直到符合防沖要求為止。鉆孔布置圖如圖2所示。

圖2 大直徑鉆孔布置圖

3.2 頂板深孔爆破

在工作面回采期間通過低位關鍵層的深孔爆破解?？商岣呙簬r傳遞介質的能量衰減系數，從而降低上覆關鍵層破斷誘發工作面沖擊地壓的可能性。

對7013 材料道劃分強沖擊危險區域施工頂板深孔預裂爆破，爆破孔應超前工作面200 m，由切眼向外，沿7013 工作面每隔10 m 布置一個鉆孔。鉆孔炮眼深度28 m，與水平方向成60°，夾角朝向工作面實體煤側，裝藥量為40 kg，裝藥長度為10 m，封孔長度為14 m。其鉆孔平面圖如圖3。

圖3 7013 工作面鉆孔布置平面示意圖

4 效果檢驗

效果檢驗的方法主要有鉆屑法、微震法、應力監測法等[9]。弱沖擊危險區域解危效果可采用鉆屑法檢驗，中等或強沖擊危險工作區域解危效果檢驗辦法應不少于2 種。直到檢驗結果均小于臨界值，則解危區域的沖擊危險性得到消除。

7013 工作面2019 年9 月17 日對材料道斷層群區域實施了頂板爆破措施，工作面解危后鉆屑監測煤粉變化量如圖4，卸壓前后沖擊能指數分別如圖5 和圖6 所示。

圖4 7013 工作面解危后煤粉量變化圖（材料道斷層群）

圖5 9 月17 日頂板爆破前沖擊能指數圖

圖6 9 月17 日頂板爆破后沖擊能指數圖

2020 年2 月19 日對7013 工作面溜子道停采線區域實施了幫部卸壓措施，工作面解危后鉆屑法監測煤粉變化量如圖7，卸壓前后沖擊能指數分別如圖8 和圖9 所示。

圖7 7013 工作面解危后煤粉量變化圖（溜子道停采線）

圖8 2020 年2 月19 日幫部卸壓前沖擊能指數圖

圖9 2020 年2 月19 日幫部卸壓后沖擊能指數圖

通過對7013 工作面卸壓前后沖擊能指數的對比和煤粉量變化，可以看到在實施頂板爆破和幫部卸壓措施后，沖擊危險性從強沖擊危險降低到弱沖擊危險，鉆屑煤粉量均低于臨界值，說明7013 工作面卸壓措施可以起到釋放煤巖體中積聚的大量彈性能的作用，具有較好的卸壓效果。

5 結語

（1）運用多因素耦合分析法對7013 工作面區域內各個地段進行分區分級預測，主要分析各地段沖擊地壓危險的影響因素，根據各地段的實際情況和影響因素進行危險等級劃分，疊加各個因素的危險等級，根據疊加結果預測7013 工作面的沖擊危險等級。

（2）根據工作面不同分區，制定了相應的逐級采用大直徑鉆孔卸壓、頂板預裂爆破的工作面卸壓方案。由工作面卸壓前后沖擊能指數的對比和鉆屑監測結果可知，卸壓方案對7013 工作面沖擊地壓防治起到良好的卸壓效果。