堅硬頂板工作面沖擊地壓防治技術研究及應用實踐

張丁丁

（山東能源集團防沖中心，內蒙古 鄂爾多斯 017300）

1 工程概況

亭南煤礦煤層埋深大，賦存條件復雜，煤層具有強沖擊傾向性，頂板和底板巖層具有弱沖擊傾向性。309 工作面位于礦井三盤區，工作面內斷層發育，煤層上方巖層多以砂巖為主，頂板厚度特征參數超過92.4，上覆100 m 范圍內存在兩層單層厚超過15 m、單軸抗壓強度超過60 MPa 的堅硬巖層。

2 工作面沖擊機理分析

百萬噸煤炭發生沖擊地壓次數Wt與采深H之間存在非線性對應關系。當埋深超過700 m 后，百萬噸煤炭發生沖擊地壓次數為0.3。工作面埋深超700 m，其上覆巖層產生的自重應力是工作面巷道周圍煤巖體所受應力的主要來源，對工作面沖擊地壓有較大影響。

堅硬厚層頂板容易聚積大量的彈性能[1]，在其破斷或滑移過程中，所積聚的彈性能突然釋放，容易形成強烈震動，導致沖擊地壓災害的發生。特別是頂板在初次和周期斷裂期間，工作面附近煤體應力將會產生明顯變化，這種煤體應力的變化一方面是頂板懸頂長度達到極限跨度前，懸臂梁對煤體施加的夾持力[2]增大造成的；另一方面，垮落巖層不足以填滿采空區，造成上部巖層懸露，巖梁將自身及其上部巖層重量都加到采煤工作面周圍的煤體上，隨著工作面的繼續回采導致厚層老頂的破斷與初次垮落以及隨后的周期回轉失穩對工作面的礦壓顯現造成強烈的影響，這種影響對工作面沖擊地壓危害的發生起到誘發作用。一般情況下，在頂板來壓期間，煤體的沖擊危險會有所升高，此間，煤體可在高夾持應力作用下發生破壞，聚集的能量突然釋放形成沖擊地壓，也可以是處于較高應力狀態的煤體在堅硬厚層頂板巖層突然破斷產生的強烈震動作用下發生沖擊破壞，如圖1。

圖1 上覆巖層活動誘發沖擊

斷層處巖層的不連續性導致斷層本身的不穩定性。隨著工作面的推進，其超前支承壓力的影響范圍不斷向前發展，當到達斷層影響區域后，斷層兩側本身的殘余構造應力與工作面超前支承壓力疊加[3]，使斷層附近的支承壓力增高，形成新的高應力區。斷層面（帶）與工作面之間的中間區域為應力疊加高峰區，如果斷層本身屬于容易積聚能量的類型，則疊加后的應力高峰區位置同樣容易積聚更大的能量。據現有成果，當工作面推近上述斷層構造時，相當于工作面單邊卸壓，形成高應力差，存在誘發沖擊地壓的可能。斷層構造應力對沖擊地壓影響機理如圖2 所示。隨著工作面的推進，其超前支承壓力的影響范圍不斷向前發展，當到達斷層影響區域后，斷層本身構造應力與回采工作面的超前支承壓力疊加，使斷層附近的支承壓力增高，重新分布，斷層與工作面中間區域為應力疊加高峰區，如果斷層本身能夠積聚能量，當集聚到一定程度時，可能發生沖擊地壓。研究表明，斷層落差是決定斷層區域構造應力大小的主要影響因素。

圖2 斷層構造對沖擊地壓影響示意圖

3 針對性治理措施

沖擊地壓發生機理復雜，究其根源是作用于巷道周圍煤巖體的應力大于煤巖體所能承受最大載荷，能量瞬間釋放，造成破壞。對于巷道周圍煤巖體所受應力合理有效處理是解決沖擊地壓的關鍵。解除力源或者阻斷力源傳遞，增大巷道周圍煤巖體抗沖擊破壞能力，做到卸與抗合理配合[4]是現階段解決巷道圍巖體所受應力的根本措施。經分析，11309 工作面巷道所受應力來源主要有上覆巖層自重應力及構造應力，除采取常規卸壓及監測措施外，采取了加強支護、煤層及頂板爆破的措施，從根源上治理沖擊力源的同時，強化重點區域支護強度，做到標本兼治。

3.1 強化主動支護

沖擊地壓造成的破壞是在巷道周圍煤巖體的靜應力與沖擊載荷的動應力疊加下的作用結果，動靜載荷下上覆巖層總應力，經原巖層的傳遞、卸壓層的衰減、錨固層的耗散后[5]，作用在可縮性液壓支架組成的巷內支護層上，支護層的支護強度是否大于通過各多層圓環的傳遞后最終作用在巷道內支護層上的應力，是決定是否發生沖擊地壓的關鍵。

鑒于309 工作面埋深大，上覆堅硬厚巖層及多構造的賦存特征，該工作面加大了主動與被動支護，通過加大錨桿錨索長度，在幫部施工錨索支護的措施，擴大錨固層范圍，來加大主動支護層支護強度。主要支護參數如下。頂板支護：采用錨桿配合錨索聯合支護，錨桿采用Φ22 mm×2800 mm 無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距900 mm×900 mm；錨索采用長度為8500 mm 的1×19 標準型-21.8-1860-∏型預應力鋼絞線錨索并排三路布置，巷中布置一路，各偏巷中1800 mm 布置一路。幫部采用錨桿加錨索聯合支護，錨桿采用Φ22 mm×2800 mm 無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距1000 mm×900 mm；錨索采用長度為4500 mm 的1×19標準型-21.8-1860-∏型預應力鋼絞線錨索并排兩路布置。具體如圖3。

圖3 巷道支護示意圖（mm）

3.2 強化工作面被動支護

工作面兩順槽發生沖擊地壓事故時，順槽被動支護是最后一道防線，兩順槽被動支護是否能扛得住是關系到人員生死存亡的關鍵。在工作面發生沖擊地壓事故時，當高強度可伸縮液壓支架所受載荷小于其工作阻力時，能對其所支護區段巷道進行相對主動支護，當其所受瞬間沖擊載荷大于其工作阻力時，又能通過卸載閥卸載，對瞬間沖擊進行緩沖，保證所支護區段巷道不會發生破壞。309 工作面兩槽超前支護采用ZCZ12700/24/40 型超前液壓支架組支護，超前支護距離20 m，同時在超前架組外采用雙排ZQ4000/20.6/45 型單元式超前液壓支架支護距離180 m，這樣實現了對重點管控區域的高強度支護。

3.3 頂板爆破從根本解決沖擊力源

309 工作面上方100 m 范圍內有兩層堅硬厚巖層，除由于其本身及其上覆巖層產生的自重應力是巷道煤巖體所受靜載的主要力源，堅硬巖層周期性斷裂或者滑移是造成工作面沖擊地壓事故動載的主要來源。工作面回采前，對煤層上覆堅硬厚頂板進行爆破處理，能促進關鍵層位巖層的垮落，減小極限跨距，在降低由于關鍵層位大面積懸頂導致高靜載的同時形成爆破松動圈，在更高位巖層運動時，形成吸能緩沖層，能有效防止大面積懸頂形成的靜載和高位巖層運動形成的動載對煤體的破壞。在構造影響區域進行爆破，在解決上覆堅硬巖層的同時，誘發構造應力提前充分釋放，防止構造應力與采動擾動疊加，誘發沖擊。

從兩順槽切眼以外20 m 開始至停采線以外40 m 均施工頂板爆破孔，組間距10 m，孔徑為Φ94 mm，每組布置3 個鉆孔，2 個面內預裂孔，1 個垂直頂板。1#、2#面內預裂孔方位角均為4°，仰角分別為61°、76°，孔深分別為63 m、58 m；3#靠近生產幫垂直頂板，仰角86°，孔深57 m。炸藥選用礦用被筒炸藥，藥卷直徑60 mm，每米裝藥量約為3.14 kg，裝藥量可根據實際情況調整。具體如圖4 和表1。

圖4 頂板爆破示意圖

表1 兩順槽爆破斷頂孔參數表

4 治理方案效果驗證

4.1 微震監測效果驗證

工作面回采過程中采用ARAMIS 微震監測系統對工作面回采過程中產生的煤巖破裂進行監測，對回采工作面開切眼至停采線范圍的微震活動規律進行分析。在此期間共監測到22 701 個微震事件?？偰芰繛?.8×106J，平均能量為123.34 J，最大能量8400 J，平均每米釋放能量為2 124.4 J。隨著能量級的增大，微震事件數呈現逐步降低的趨勢，表現為“高頻低能”的能量釋放形式。能量小于102J 的微震事件最多，占比74.42%；能量在102～103J范圍內的微震事件數目為5384 次，占比23.71%?？偰芰繛?.6×106J，總能量最大，占所有事件總能量的57.1%。能量在103～104J 范圍內的微震事件為421 次，占比1.85%，數目最少，表明在工作面回采過程中圍巖積聚能量可以均勻釋放，降低了應力集中突發釋放而造成沖擊事件的情況發生。同時單日最大能量釋放也具有明顯的周期性，每4～5 d 單日最大能量達到高峰，大能量釋放步距與頂板爆破孔組間距基本一致，說明頂板爆破組間距直接影響上覆巖層垮落步距。

4.2 初次來壓與周期來壓期間

工作面回采至（含）切眼9 m 時工作面老頂初次來壓步距53.4 m，來壓時頂板壓力增大，周期來壓期間壓力顯現不明顯，來壓持續1～3 d，運輸順槽端頭周期來壓步距14.2～27 m，平均20.6 m，動壓系數1.03～1.33，平均1.18；工作面中部周期來壓步距從12.3～27 m，平均19.7 m，動壓系數1.03～1.22，平均1.13；回風順槽端頭周期來壓步距從11.9～27.8 m，平均19.9 m，動壓系數1.07～1.31，平均1.19。可見，無論是運輸順槽端頭、回風順槽端頭還是工作面中部來壓步距大多數分布均勻，周期來壓步距基本是頂板爆破組間的2 倍，說明頂板爆破組間距直接影響工作面周期來壓步距，降低周期來壓強度。

4.3 兩巷煤體應力監測

工作面回采期間，工作面兩順槽安裝KJ550 應力在線監測系統，對兩順槽超前工作面300 m 進行應力監測。工作面開采過程中兩順槽應力值變化平穩，未超過預警值，應力值在4.2～7.8 MPa 之間，均在正常值范圍，說明工作面兩順槽壓力較小，支護層支護區域內整體塑性破壞不明顯。15 m 深處的應力集中程度明顯大于9 m 深處的應力集中程度，說明強支護滿足支護強度要求。加長支護錨桿長度，增加錨索支護使得煤體支護圈擴大，應力集中區向煤體深部轉移。

5 結論

通過加大回采工作面兩順槽主動、被動支護，巷道周圍煤巖體抗沖擊能力得到增強，塑性破壞得到明顯改善。通過對頂板關鍵層位爆破，減小工作面來壓步距，增加頂板裂隙發育，縮短關鍵層位極限垮落步距，避免形成長距離懸頂產生的靜載，擠壓工作面煤體，又對關鍵層位破斷或者滑移產生的能量進行緩沖和釋放，防止沖擊地壓的發生。構造區域進行爆破，誘發微震事件的發生，使構造區域積聚的能量得以釋放，解決了構造應力與采動應力疊加誘發沖擊的問題。