堅硬頂板“孤島”工作面沖擊地壓綜合防治技術研究

劉 學

(煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

沖擊地壓是煤礦井下深部采掘過程中經常遭遇的礦井災害之一，隨著我國煤礦井下開采深度和開采強度的不斷增加，沖擊地壓發生的概率也越來越大，近年來發生過多次沖擊地壓事故，都帶來了極為嚴重的經濟損失和人員傷亡[1-6]。杜則銘[1]提出采用鉆屑法對工作面采掘期間的沖擊危險區域進行監測，通過分析鉆屑法的監測原理及判斷準則進行實時監測；李玉生[7]提出沖擊地壓可用強度準則、能量準則及沖擊傾向準則加以概括，3個準則同時滿足，才是沖擊地壓的必要和充分條件；章夢濤[9]根據煤(巖)變形破壞的機理，提出沖擊地壓的失穩理論。以上理論和監測方法雖然對沖擊地壓的理論分析和監測方面具有重要指導意義，但在沖擊地壓的強度監測、影響范圍計算等方面不夠全面，應根據實際情況制定針對性的防沖措施。近幾年來，耿村煤礦在開采過程中連續發生幾起沖擊地壓事故，充分說明沖擊地壓已嚴重威脅著耿村煤礦的安全生產。因此，對于耿村煤礦沖擊地壓致災機理、致災因素、綜合防治技術等研究已迫在眉睫?；诖耍Y合耿村煤礦12230特殊空間結構體“孤島”工作面的實際情況，對工作面沖擊地壓發生機理進行研究分析，提出了適合堅硬頂板特厚煤層復雜空間結構體“孤島”工作面開采期間的沖擊地壓綜合防治措施，結合監測數據，驗證綜合防沖措施的有效性。

1 工程概況

耿村礦12230工作面北臨已回采的(2-3)12210工作面運輸巷，二者隔寬8 m的煤柱，東部切眼位置距(2-3)13160工作面采空區33～46 m，南部為未開采的2-3煤實體，西側為2-3煤軌道下山和膠帶下山，平均采深550 m，其上部有12171工作面及12191工作面部分采空區(1-2煤)，并余留有1-2煤實體煤(2-3煤與1-2煤之間相距42.6 m)。該工作面開采的煤層為2-3煤，平均煤厚14.5 m。煤層頂底板綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 12230工作面煤層綜合柱狀Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam at 12230 working face

2 工作面沖擊地壓發生機理

堅硬頂板特殊結構體工作面采場的覆巖運移和礦壓顯現規律與其他工作面開采有很大差別，因受周邊已回采工作面采空區應力作用的影響，造成工作面頂底板應力高度集中，包括由煤(巖)體自重引起的自重應力、地質構造引起的構造應力、周圍不規則開采引起的結構應力以及周邊采空區懸露頂板引起的歷史支承壓力[5-8]。基于此，把這些應力的合應力統稱為特殊結構體工作面煤(巖)體的原始應力，由特殊結構體工作面的原始應力集中所積聚的彈性能稱為特殊結構體工作面的原始彈性能，這是工作面易發生沖擊地壓的應力和能量基礎。

在工作面開采過程中，隨著推采的不斷進行，工作面前方煤體內的應力不斷集中，彈性能也隨之不斷積聚，工作面前方煤體不斷積聚的彈性能在采動影響作用下，沿著煤巖介質的優勢路徑向工作面開采方向的弱勢面進行延伸，并形成定向的能量勢場，從而損傷弱化煤巖介質的形狀組織，使煤體內部發生裂紋擴展、貫通和匯聚，甚至發生輕微的滑移，并消耗能量做功。當形成的能量大小超過損傷弱化工作面煤(巖)體介質做功而消耗的能量時，被損傷弱化的煤(巖)體就會從開采空間的弱勢面上突然拋出[5]，同時伴隨著強烈的沖擊波，導致發生沖擊地壓。

3 工作面沖擊地壓綜合防治技術方案

12230工作面以北為12210采空區，上部為1-2煤12170工作面和12190工作面采空區，該面三面臨空，屬空間特殊結構體“孤島”結構；加之1-2煤殘留不規則煤體(柱)形成的高應力區對12230工作面的影響，隨著工作面的不斷推采，與12171、12191工作面區段煤柱和12191工作面切眼及12230工作面采空區邊界所圍成的開采煤柱越來越小，開采煤柱所承受上覆巖層靜載和12230工作面回采超前動載的疊加程度也越來越大，又加之12230工作面處在三次見方范圍，通過理論分析及相同條件下沖擊地壓事故案例綜合分析判定，該工作面沖擊危險程度較高，易造成工作面及兩巷的沖擊。根據沖擊地壓發生機理，結合工作面實際情況及以往工作面防沖經驗，提出了沖擊地壓綜合防治技術方案。

3.1 合理確定開采強度，減少采掘擾動

結合相關文獻及近幾年防沖工作的經驗總結[9-16]，得出回采速度快慢會直接影響工作面煤(巖)體發生微震的頻次，特別是當回采速度出現較大變化時影響最大。實踐表明，當工作面回采速度出現劇烈變化時極易發生大能量微震事件，提高了沖擊地壓發生的概率。

為確保12230工作面的安全回采，將工作面回采速度控制在1 m/d以內，且保持勻速平穩的速度進行回采，避免速度忽高忽低的現象。為減少采掘擾動，生產期間兩巷不得進行擴修作業；非生產期間兩巷只允許單頭擴修，避免雙頭擴修；西采區開掘工作面放炮時間不得布置在12230工作面生產期間。

3.2 合理確定加強支護方式

工作面兩巷堅持“主動支護為主，被動支護為輔的”支護體系，回風巷超前150 m、運輸巷超前300 m進行加強支護，加強支護采用巷道支架、液壓抬棚、門式支架等。

3.2.1 回風巷加強支護形式及規格

工作面上端頭使用ZT2×4000/23/50型巷道液壓自移支架(1架)+單體柱+排頭架配合來保證端頭處的支護強度。上端頭處巷道支架靠近巷道上幫，尾部要與最后一架排頭架尾部對齊。煤壁前方上拐頭沿巷道走向各安裝兩排(6架)巷道支架，安裝位置為距上、下幫各1.5 m，排距(中—中)2.3～2.8 m，靠近下幫第一架巷道支架安裝位置尾部與煤墻對齊(圖2)。

圖2 工作面回風巷端頭支護示意Fig.2 Schematic of roadway end supporting on working face

3.2.2 運輸巷加強支護形式及規格

工作面下端頭使用ZT2×4000/23/50型巷道液壓自移支架(1架)+單體柱+小抬棚+排頭架配合來保證端頭處的支護強度(圖3)。下端頭處巷道支架靠近巷道下幫，尾部要與最后一架排頭架尾部對齊，與小抬棚相輔來保證對下端頭形成牢固的支護。煤壁前方下拐頭沿巷道走向各安裝兩排(4架)巷道支架，安裝位置為距上、下幫各1.5 m，排距(中—中)2.3～2.8 m，靠近上幫第一架巷道支架安裝位置尾部與煤墻對齊。巷道支架和抬棚隨同采面回采一同前移。

圖3 工作面運輸巷端頭支護示意Fig.3 Schematic of supporting of lower roadway end in working face

兩巷支架外需加強支護段使用液壓抬棚支架，在巷道中間沿走向打設一路，支架采用2根直徑220 mm的大立柱配合頂底梁組成，工作阻力為2×1 100 kN(圖4)。

3.3 大直徑深孔卸壓措施

應力三向化轉移如圖5所示。根據“應力三向化轉移”原理，施工大直徑的卸壓鉆孔對工作面煤(巖)體中存在沖擊地壓危險的局部區域進行卸壓。大直徑鉆孔會破壞工作面深部圍巖的結構，在圍巖深部形成一個圍巖應力弱化帶，從而導致其周邊高應力向弱化帶區域轉移，在其周邊范圍內的應力值降低，形成一個低應力區，如圖6所示。在煤(巖)體向外沖擊時，不但大直徑鉆孔可以把沖出的煤巖粉吸到鉆孔形成的空間內，同時鉆孔周圍形成的卸壓區煤層頂底板可以閉合形成“楔形”阻力帶，可以阻擋沖擊出來的煤粉。

圖5 應力三向化轉移示意Fig.5 Schematic of three-way stress transfer

圖6 卸壓鉆孔施工前后應力變化Fig.6 Stress changes before and after pressure relief drilling

在工作面超前300 m和回風巷空間孤島煤柱影響范圍內的回風巷下幫，運輸巷上、下幫施工大直徑卸壓鉆孔，孔徑153 mm，孔深30 m，間距1 m，兩巷卸壓鉆孔布置如圖7所示。回風巷下幫傾角1°～3°，孔口距離底板高度0.5～0.8 m；運輸巷上幫傾角10°～13°，孔口距離底板0.5～0.8 m；運輸巷下幫傾角1°～3°，孔口高出膠帶架0.5～0.8 m；施工后黃泥封孔長度不得小于2 m。

圖7 兩巷卸壓鉆孔布置Fig.7 Pressure relief drilling layout in two lanes

3.4 煤層注水措施

通過煤層注水可以降低煤體的硬度，增加塑性，降低應力集中系數，減弱沖擊地壓的危險性，是降低沖擊地壓發生概率的有效措施之一。

在工作面超前150 m范圍回風巷下幫，運輸巷上、下幫實施靜壓注水。鉆孔深度40 m，鉆孔間距20 m，孔口位置應布置在巷道煤體完整處，位于巷高1/3～1/2位置處，鉆孔垂直巷幫沿煤層傾向布置，運輸巷上幫鉆孔傾角10°～13°，鉆孔傾角均為1°～3°，采用水泥藥卷+AB膠封孔，封孔長度20 m。

3.5 斷底爆破措施

(1)厚硬底板。回采巷道底板巖層為厚度超過3 m的堅硬巖層時，能有效預防沖擊地壓危害的發生，可將回采巷道底板直接落到底板巖層上。

(2)回采巷道底板為厚度小于1 m的軟巖、具有中等沖擊危險時，需要進行破底掘進，破底深度以穿過軟巖層為準，確保底板為堅硬巖層。

(3)復合底板。回采巷道底板由厚度小于3 m的軟、硬巖層相間組成時，如果不進行特殊處理，在應力集中區域該底板存在極大的沖擊危險性。針對此種底板，回采過程中需對其進行斷底處理，具體做法是在回采巷道底板上向下打炮孔，并進行裝藥爆破，破壞底板的完整性，解除其沖擊危險性。12230工作面兩巷留有一定的底煤，屬于此種類型。

4 防治效果監測數據分析

通過利用KJ-743煤礦沖擊地壓無線監測系統和KJ-549微震監測系統對12230工作面不規則煤柱影響區域井下應力監測和微震監測以及耿村礦12230工作面分析，并通過應力和微震變化以及分布情況分析驗證卸壓工程的施工效果。

4.1 應力分析

在不規則煤住影響區域范圍內選擇回采進尺744 m和775 m處2組應力計進行觀測，根據該礦井12230工作面超前支承壓力影響范圍為130 m左右，選取2020年9月1日至12月8日期間觀測分析煤柱影響高應力集中區域受采動影響的變化情況，監測結果如圖8所示。

圖8 回采進尺744 m深淺孔應力變化示意Fig.8 Stress changes in the mining footage of 744 m deep shallow hole

由圖8可知，在9月2日至11月13日期間(工作面回采600～648 m)，隨著工作面不斷推進，回采進尺744 m處深孔應力呈現增長趨勢，11月4日達到最大10.2 MPa，應力較高，說明744 m處應力積聚。采取縮小卸壓孔，加大卸壓孔深度，增強煤壁及底板注水量等措施后，應力恢復正常。

4.2 微震分析

通過KJ-549、ARAMIS微震監測系統對不規則煤柱受回采影響的高應力集中區域加強卸壓工程施工后，微震事件的頻次、能量以及分布情況進行分析。

12230工作面上覆巖層整體性強且不易自然垮落的頂板，極易積聚大量彈性能，斷裂時將釋放巨大的沖擊動能。隨工作面的推進，在推進方向勢必會造成上覆巖層斷裂。故根據微震事件發生的剖面位置，從而簡單確定上覆巖層斷裂的高度[6-7]。通過對工作面影響區域施工多輪次大直徑卸壓鉆孔和爆破，有效降低了上覆巖層斷裂影響區域應力，工作面日均發生的微震頻次和日均釋放出的能量均出現較大幅度降低，具體如圖9所示。

由圖9分析可知，開采過程中覆巖平均活動高度集中在150 m內。而經多輪次卸壓后，開采過程中覆巖平均活動高度集中在70 m內。

圖9 卸壓前后微震事件傾向剖面Fig.9 Propensity profile of microseismic events before and after pressure relief

綜上，通過對12230工作面開展加強兩巷超前支護、施工卸壓鉆孔、煤層注水、斷底爆破等綜合治理措施，有效降低了不規則煤柱影響區域應力。保證了工作面安全回采，說明不規則煤柱高應力集中區域的應力得到有效釋放，達到了沖擊地壓防治的預期效果。

5 結論

(1)12230工作面因三面臨空，屬堅硬頂板空間特殊結構體“孤島”結構，工作面采場的覆巖運移和礦壓顯現明顯，通過理論分析及相同條件下沖擊地壓事故案例綜合分析，判定該工作面沖擊危險程度較高，易造成工作面及兩巷的沖擊。

(2)工作面回采速度出現劇烈變化時極易發生大能量微震事件，提高了沖擊地壓發生的概率，將工作面回采速度控制在1 m/d以內，且保持勻速平穩的速度進行回采，能夠有效減少工作面微震頻次，降低沖擊地壓發生概率。

(3)通過大直徑深孔卸壓、煤層注水、斷底爆破等卸壓措施，可以降低煤體的硬度，增加塑性，減小應力集中系數，減弱沖擊地壓的危險性，同時提高回采工作面上下端頭和上下兩巷超前支護強度，能夠大大降低工作面沖擊地壓發生的可能性。

(4)通過應力、微震等監測結果分析表明，工作面回采過程中日均微震頻次與日均釋放能量均有所下降，不規則煤柱影響區域應力得到明顯降低，工作面實現了安全回采。