綜放工作面堅硬頂板沖擊地壓防治及效果分析

耿延輝GENG Yan-hui

（瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

0 引言

沖擊地壓主要是由地質因素和開采技術綜合作用的結果。經鑒定寬溝煤礦煤層具有弱沖擊性，頂底板具有強沖擊性。頂板的強沖擊主要是由于頂板具有堅硬，厚度大及不易垮落的特點。再加上工作面屬于綜放開采，采空區極易形成較大的空殼，引發二次災害。針對寬溝煤礦沖擊地壓發生的應力主要由巖體的重力和構造殘余應力組成。經過市場現場統計分析，煤巖的沖擊傾向性越大，發生沖擊地壓的可能性就越大。煤的強度越大，彈性越好，沖擊傾向性就越高。頂板巖層越堅硬，越容易誘發沖擊地壓。

1 試驗區域

1.1 試驗區概括

B2 煤層厚度8.33～16.64m，平均11.80m。頂板巖性以粉砂巖、泥巖及砂質泥巖為主，細粒砂巖、粗粒砂巖次之，厚度0.30～34.22m。

1.2 煤層及頂底板沖擊性

根據煤炭科學技術研究院鑒定B2 煤層具有弱沖擊傾向性，頂板具有強沖擊傾向性。

2 工作面放頂期間沖擊地壓防治

2.1 工藝巷位置

I010202 綜放工作面措施巷長度1600m，巷高2.5m，寬2.5m，工藝巷布置在上下順槽中間，工作面巷道布置示意圖如圖1 所示。

圖1 工作面巷道布置示意圖

2.2 頂板深孔超前預裂爆破

試驗區綜放工作面頂板超前預裂爆破沿煤層傾向布置，每排施工10 個，每10m 施工一排，鉆孔設計如圖2所示。

圖2 試驗工作面工藝巷頂板爆破孔設計圖

2.3 上、下端頭預裂爆破

為了確保工作面回采期間頂板垮落及時，避免造成工作面大面積懸頂引起的動力災害，需要對工作面頂板及端頭進行預裂爆破。每組施工兩個鉆孔，孔深30m 步距3m，鉆孔設計如圖3 所示。

圖3 端頭超前預裂爆破圖

2.4 綜放工作面爆破頂板壓力曲線

工藝巷煤層頂板爆破后，統計分析了工作面KJ21 在線支架壓力監測數據，支架壓力變化曲線如圖4 所示。

如圖4 所示，工作面KJ21 支架壓力變化大致有三個階段：

圖4 工藝巷頂板爆破過程監測

①第一階段：爆破瞬間，工作面支架壓力急增上升。該階段為爆破后產生的瞬間動力，在瞬間載荷的作用下支架壓力瞬間升高。②第二價段：持續一段時間后，工作面支架阻力增大。主要原因是工作面回采后，頂板由于預裂爆破后頂板彎曲下沉造成支架阻力增大。③第三階段：持續一段時間后，支架阻力恢復平衡，支架阻力下降。主要原因是工作面頂板爆破后，頂板及時垮落，應力轉移后，支架阻力出現下降，恢復正常值。

3 工藝巷爆破后礦壓顯現效果

3.1 支架壓力分析

由工作面支架壓力監測數據可知，工作面頂板爆破后，頂板出現下沉，支架壓力阻力上升，隨后工作面向前推進，頂板垮落，支架阻力又出現下降，支架阻力大于25MPa，最大值小于40MPa。工作面沿傾向支架壓力變化規律如下：①5#-15#支架在爆破后出現壓力下降，但均在2 月25 日、26 日兩天出現來壓的現象。后期在2 月27 日、28 日出現周期來壓的現象。②25#-45#支架在爆破后支架阻力出現降幅，工作面推進中出現兩次周期來壓現象。③55#、73#支架左右爆破后出現阻力升高的趨勢，并在后期出現周期來壓現象。

通過以上數據分析可知，工作面預裂爆破后，工作面阻力整體出現下降。但隨著工作面緩慢推進，工作面周期來壓顯現3 次，經統計計算來壓步距為19.5m；工作面沿傾向方向，支架阻力沿傾向方向變化幅度具有區域性，工作面中上部壓力增加幅度較工作面下部大，尤其是頂端區域。

3.2 微震監測頂板活動規律

為了研究綜放工作面頂板預裂爆破后，工作面頂板破壞活動規律，選取工作面正常推進過程中微震監測事件，共分析上百個圍巖自發事件，微震監測數據事件的分布規律如圖5 所示。

圖5 微震事件活動分布規律

①由圖5（a）可知，微震事件主要分布在工作面前方，工作面推進過程中，頂板的壓力分布：煤壁前方形成應力集中，使煤壁前方的巖層發生破裂，巖層發生破裂的區域主要集中在工作面上部，工作面下部微震事件較少，表明工作面中上部來壓時期將要比下部區域早。②由圖5（b）分布可知，工作面中部區域上部直接頂（老頂）巖層活動頻繁，表明工作面中部首先發生破裂，隨著巖層破裂發展，工作面下部區域逐步頂板發生斷裂，上部區域主要集中發生在煤層中，說明工作面上部壓力較下部大。

3.3 工作面中上部區域頂板破碎情況

為了驗證頂板預裂爆破效果，在工作面回風巷內施工鉆孔，采用鉆孔窺視儀對頂板窺視，施工鉆孔孔徑75mm，孔深42m，仰角62°，水平轉角30°。鉆孔設計如圖6 所示。

圖6 2# 窺視孔平剖面圖

鉆孔窺視效果如圖7 所示。

圖7 鉆孔窺視效果圖

通過窺視截圖可看出，孔內變形嚴重，由圖7 可知：工作面前方及上部煤層裂隙發育，工作面上部頂板11～20m區域頂板裂隙發育明顯，上部頂板20～31m 區域頂板較為破碎。

4 結論

①通過工作面微震事件規律，工作面應力集中在煤壁前方30m，圍巖破壞為工作面前方20～50m 范圍內，煤層頂板上方30m；工作面傾向中部向上55m 區域。②工作面預裂爆破后，支架阻力變化規律，工作面支架阻力變化分為三個階段。③通過頂板窺視可知：工作面爆破后煤層裂隙發育，遠遠降低了煤巖體的沖擊性。