特厚煤層上覆煤巖柱下措施巷防沖技術研究

赫海全，孫振于，何 江，陳同盛，柴彥江

(1.窯街煤電集團有限公司 海石灣煤礦，甘肅 蘭州 730084；2.徐州弘毅科技發展有限公司，江蘇 徐州 221000；3.中國礦業大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；5.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

研究表明，沖擊地壓煤層開采前應優先開采保護層[1-3]，但實際采掘過程中，受到地質構造、層厚變化、采掘布局等因素的影響，保護層中常常遺留有煤柱[4]，遺留煤柱區的應力較高[5，6]，下部煤層采掘時，易誘發沖擊地壓，如峻德煤礦“3·15”和長城一礦“10·7”沖擊地壓事故等[7]。眾多學者和技術人員對保護層遺留煤柱誘發沖擊地壓的問題進行了大量研究[8，9]。在防治方面，孫劉偉等[10]、劉鵬飛[11]、劉永紅等[12]、田臣等[13]采用爆破卸壓、頂板爆破預裂、水力壓裂、巷道補強支護的綜合防治措施，有效避免了遺留煤柱區沖擊地壓的發生，保證了工作面的安全開采。

本文基于海石灣煤礦6224-1工作面地質和開采技術條件，在遺留巖柱影響區外布置專用措施巷，并從巷道內向巖柱影響區的煤巖體實施頂板深孔爆破、煤體爆破和大直徑鉆孔的方式，能夠有效的降低煤體中的靜載應力水平和頂板運動烈度，以期為條件類似工作面的沖擊地壓防治提供參考。

1 工程概況

海石灣煤礦為沖擊地壓和煤與CO2突出礦井。6224-1工作面位于海石灣煤礦二采區，工作面走向長度337m，傾向寬度185.5m，開采深度740～890m。工作面開采煤二層，煤層厚度約41.5m，傾角約7°，采用傾斜分層、走向長壁后退式綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。6224-1工作面開采首分層，分層厚度15～36m，其中機采高度4m。工作面東、西、北側為實體煤，南側為6223-1和6223-2采空區。為防治臨空巷道沖擊地壓，6224-1運輸巷布置在6223-2采空區下，內錯采空區12m，頂煤厚度約8m，如圖1所示；為防治瓦斯和沖擊地壓，礦井開采油頁巖層作為煤二層的保護層，6224-1工作面上方為6213和6214油頁巖采空區，兩采空區之間留有40.5m巖柱，巖柱距6224-1運輸巷29.8m。煤二層與油頁巖層相距約35m。6224-1工作面煤層偽頂為炭質泥巖，厚度為1.5m，老頂為灰黑、深灰色細砂巖和粉細砂巖互層，普氏硬度f=6～8；直接底板為灰黑色炭質泥巖，厚度為3.96m，老底為灰白色含礫細砂巖。6224-1工作面范圍的鉆孔柱狀如圖2所示。煤二層具有弱沖擊傾向性(動態破壞時間為400ms、彈性能指數為2.12、沖擊能指數為4.55、單軸抗壓強度為8.05MPa)，頂板具有強沖擊傾向性(彎曲能量指數為203kJ)，底板具有弱沖擊傾向性(彎曲能量指數為72.1kJ)；6224-1工作面經沖擊危險性評價具有中等沖擊危險性(綜合指數為0.57)。

圖1 6224-1工作面傾向剖面

圖2 鉆孔柱狀圖(部分)

2 專用措施巷防沖實踐

2.1 上覆遺留巖柱對工作面回采的影響

根據研究，沖擊地壓的發生需滿足一定的力學條件，當煤巖體中靜載應力與礦震形成的動載應力之和大于煤巖體沖擊破壞的臨界應力，可誘發沖擊地壓災害[14]，即：

σs+σd≥σb，min

式中，σb，min為發生沖擊地壓時的最小應力，MPa；σs為靜載應力，MPa；σd為動載應力，MPa。

在沖擊地壓方面，保護層遺留巖柱對6224-1工作面回采的影響也主要體現在靜載和動載兩方面。兩側采空的孤島煤柱應力集中程度較高，而其根源在于其上覆頂板可能會形成特殊的“T”型頂板空間結構[15，16]，如圖3所示。在“T”型頂板空間結構下，6224-1工作面回采期間會受到兩方面的影響。靜載方面，由于巖柱兩側采空區頂板下沉不充分，會形成大面積懸頂，所以巖柱不僅受到本身自重應力的影響，受兩側采空區的側向支承應力影響更大，而且埋深越大應力越高；在巖柱相對較窄的情況下，巖柱中間應力最高，向兩側逐漸降低；應力會向下傳遞，形成應力影響區域[17]；在此影響范圍內，不但煤巖體內的靜載應力較高，工作面來壓也相較于普通工作面劇烈。動載方面，因為巖柱的存在，所以巖柱及兩側采空區的頂板下沉并不充分，導致巖柱兩側的6213和6214油頁巖工作面回采時上覆三帶的發育相對孤立，更高范圍內的關鍵層并未斷裂；當下部的6224-1工作面回采時，不僅會受到本工作面上方頂板垮落產生的動載影響，而且會受到巖柱頂板垮落及兩側采空區懸頂垮落的影響；同時因為6224-1工作面的回采，使得6213和6214油頁巖工作面上覆三帶發育勾連，導致三工作面頂板協同運動、相互影響，造成更高層位的關鍵層破斷，覆巖運動較為劇烈。

圖3 遺留巖柱“T”型覆巖結構

2.2 防治方案優化

根據研究，當煤巖體內的靜載水平較低時，誘發沖擊所需的動載較大；當煤巖體內的靜載水平較高時，較小的動載即可誘發沖擊[18]。所以，6224-1工作面上覆遺留巖柱區的沖擊地壓防治可從兩方面出發，一方面是降低巖柱影響區煤巖體的靜載水平，另一方面是降低工作面回采時產生動載的強度和頻度。一般對于工作面周邊煤巖體動靜載的控制，便于操作和比較有效的方法主要有頂板深孔爆破、煤層大直徑鉆孔、煤體爆破等(限于篇幅，以下僅斜述解決遺留巖柱問題的措施)。

2.2.1 防治方案對比分析

6224-1工作面運輸巷布置在6223-2采空區下，內錯采空區12m左右。若從工作面運輸巷沿傾向向巖柱影響區實施頂板深孔爆破和煤體爆破，會打穿采空區；若從工作面內沿走向巖柱影響區施工頂板深孔爆破、煤體爆破孔和大直徑鉆孔，隨工作面推采循環施工，則會占用大量工作面正常生產的時間，嚴重影響生產，使礦井難以達到核定產能；若從工作面運輸巷沿傾向向巖柱影響區煤體施工大直徑鉆孔，從工作面沿走向向巖柱影響區施工煤體爆破，從工作面回風巷沿傾向向巖柱影響區施工頂板深孔爆破，則施工難度較大，尤其是從工作面回風巷向巖柱影響區施工頂板深孔爆破，根據計算孔深可達143m，而且傾角較小，鉆孔塌孔和裝藥均為巨大的難題，難以解決。為解決上述問題，可以在保護層卸壓范圍內，巖柱影響區外沿工作面走向布置專用措施巷，在專用措施巷內向巖柱影響區施工頂板深孔爆破和煤體爆破，從工作面運輸巷和專用措施巷內向巖柱影響區煤體施工大直徑鉆孔，這樣不但能減少方案施工占用時間和降低施工難度，而且能確保安全與產能。

2.2.2 專用措施巷合理位置分析

專用措施巷需布置在巖柱影響區外，文獻[19] 提供了兩種確定保護層遺留巖柱影響范圍的方法：①根據被保護區域的監測數據實測確定；②根據相關參數和現場數據計算確定。對于6224-1工作面上覆遺留巖柱的影響范圍可同時采用兩種方法確定，并取其中結果較大的。

專用措施巷平面位置如圖4所示。6224-1聯絡巷由6224-1運輸巷側開口掘進，巷道掘進過程中每日在巷道迎頭和兩幫施工鉆屑監測孔，鉆孔深度為10m；選擇巷道靠切眼幫的鉆屑監測孔出屑量進行分析，共有19組數據，各鉆屑監測孔平均每米鉆屑量如圖5所示。從圖5可以看出，6224-1聯絡巷距6224-1運輸巷23.5～87m段巷道幫部鉆屑監測孔平均每米鉆屑量明顯大于其他區域，由此可大概確定巖柱影響范圍。

圖4 專用措施巷平面位置

圖5 聯絡巷靠切眼幫鉆屑監測孔平均每米鉆屑量

根據文獻[19]中附錄B中相關方法和參數結合工作面相關數據，計算出巖柱影響范圍為距6224-1運輸巷21.5～94m。為安全考慮，取距6224-1運輸巷21.5～94m為巖柱影響范圍，影響范圍如圖4所示。綜上，平面上可將專用措施巷布置在距工作面運輸巷約100m的位置；同時為便于工作面回采期間對專用措施巷的處理，垂面上，將專用措施巷布置在工作面機采的層位。

2.2.3 卸壓措施參數

從工作面運輸巷和專用措施巷施工的大直徑鉆孔孔徑為113mm、間距為0.7m、布置方式為上下兩排的三花布置，下排開孔位置距底板0.8m，上排開孔位置距底板1.3m，布置在下排兩鉆孔中間，其余參數見表1；煤體爆破和頂板深孔爆破孔徑為75mm、每孔裝藥長度為20m，3.6kg/m，總裝藥量72kg、封孔長度不小于孔深的1/3、每15m施工一組、每組6個孔，為避免殘爆現象，采用煤礦許用導爆索引爆，其余參數見表2。各卸壓措施布置如圖6所示。

表1 大直徑鉆孔參數表

表2 專用措施巷爆破孔參數表

圖6 專用措施巷卸壓措施傾向剖面

3 實踐效果

6224-1工作面于2020年9月5日正式回采，工作面回采前已全部施工第2.2.3節所述措施，并已封閉專用措施巷。截止2021年2月2日(歷時153天，占全年時間的41.92%)，工作面已安全回采164.1m，平均日進尺1.07m，回采煤量80.6萬t，完成核定產能的44.78%(核定產能180萬t/a)，期間未發生過沖擊地壓現象；而且由于煤體爆破孔的施工，提高了頂煤回收率，根據統計和計算，頂煤回收率由上一分層工作面的88.7%提升至本工作面的95.3%，截止2021年2月2日，已多采煤量5.6萬t，提高經濟效益約5000萬元。下面從工作面回采期間的靜載監測(液壓支架阻力監測)和動載監測(微震監測)兩方面檢驗實踐效果。

6224-1工作面共安裝123副液壓支架，設計初撐力不低于24MPa，其中第15架—第65架位于巖柱影響區內，第40架位于巖柱影響區中部，所以選取第40架和第100架監測數據進行對比。為避免工作面回采初期設備調試對監測的影響，所以選取2020年11月—2021年1月的數據；為便于對比，選取每日應力最大值，每隔兩天提取一組數據，共有31組數據，液壓支架工作阻力對比如圖7所示。由圖7可知，其中16組數據第40架應力高于第100架，第40架和第100架應力平均值分別為31.07MPa、29.59MPa，兩液壓支架應力值相近，并沒有明顯的差別，說明經過卸壓后巖柱影響區和未受巖柱影響的區域靜載應力相近，卸壓效果較好。

圖7 液壓支架工作阻力對比

同樣選取2020年11月—2021年1月工作面周邊50m范圍內的微震監測數據，礦震統計結果見表3，礦震分布如圖8所示；為便于觀察，礦震分布圖中只顯示能量103J以上的礦震。由表3可以看出，6224-1工作面回采期間以103J能量以下的礦震為主，103J以上能量級別的礦震僅占7.79%，無105J能量以上的礦震，整體礦震能量等級較低；由圖8可知，礦震主要集中在工作面中下部，沒有明顯集中在巖柱區域的現象。

表3 礦震統計結果

圖8 2020.11—2021.1礦震分布

在巖柱影響區外保護層保護范圍內沿走向布置專用措施巷，在專用措施巷內向巖柱影響區施工卸壓措施，對海石灣煤礦6224-1工作面上覆遺留巖柱區沖擊地壓的防治效果較好。

4 結 論

1)從動靜載方面分析了6224-1工作面上覆遺留巖柱對工作面回采的影響，得出巖柱影響區靜載較高的原因是巖柱上方頂板會形成特殊的“T”型空間結構；動載較高的原因是工作面回采時不僅會受到本工作面、巖柱和兩側采空區懸露頂板垮落產生的動載影響，還會受到區域巖層協同運動以及更高層位關鍵層破斷產生的動載影響。

2)根據6224-1工作面的結構特征和上覆巖柱處理的難題，設計在巖柱影響區外保護層下沿走向布置專用措施巷，在專用措施巷內向巖柱影響區施工卸壓措施。經實踐驗證，該方法對6224-1工作面上覆遺留巖柱區沖擊地壓的防治效果較好、頂煤回收率高，可為條件類似工作面的沖擊地壓防治提供參考。