小莊煤礦沖擊危險性評價及防控設計研究

趙 恒

(咸陽市煤炭工業(yè)局，陜西 咸陽 712000)

0 引言

沖擊地壓是采礦工程和巖石力學與工程領域中研究的難點問題之一，是世界范圍內煤礦開采中的一種動力災害，屬于國際性難題。其危害主要表現(xiàn)在破壞巷道，造成人員傷亡及誘發(fā)次生災害。沖擊地壓作為影響我國煤礦安全生產的諸多災害之一，由于我國煤礦近年向更深部開采以及逐年增高的開采強度，沖擊地壓災害發(fā)生的愈加頻繁。因此對沖擊地壓及時高效的預測預報及有效防治已成為當前急需解決的難題。

為有效避免沖擊地壓的發(fā)生，大量學者對沖擊地壓的形成機理、監(jiān)測預警和防治技術進行了研究。謝和平等[1]分析典型的3種開采條件下的工作面支承壓力分布規(guī)律，披露了工作面開采條件與采動力學行為的關系；黃慶享等[2]將材料的損傷積累考慮在內，利用Griffth能量理論及能量判據(jù)，將材料損傷過程與裂紋擴展過程相耦合，確定了發(fā)生沖擊地壓的臨界壓力；潘俊鋒[3]從揭示沖擊地壓的材料-結構動力失穩(wěn)啟動原理出發(fā)，完善沖擊啟動理論認識，將煤礦沖擊地壓機理、監(jiān)測與防治指導理論關聯(lián)并統(tǒng)一起來，形成成套技術體系；齊慶新等[4]將摩擦滑動穩(wěn)定性及摩擦滑動性狀作為基礎，利用摩擦滑動的粘滑現(xiàn)象說明了沖擊地壓的發(fā)生機理；鄧志剛[5]分析微震發(fā)生頻次、空間分布和能量，研究了3種條件下沖擊地壓發(fā)生的部分前兆規(guī)律；曲效成等[6]將沖擊地壓主要檢測指標鉆屑量替換為應力測量，實時監(jiān)測工作面前方應力場的變化規(guī)律，由此實現(xiàn)對沖擊地壓的連續(xù)監(jiān)測及預警；歐陽振華[7]結合沖擊地壓監(jiān)測預警、沖擊危險性評價、沖擊地壓綜合治理以及科學管理4個方面，建立較為全面的防沖技術方案；翟明華等[8]以“分類治理”為核心思想，提出“七模塊”沖擊地壓治理技術體系。

小莊煤礦4號煤層具有弱沖擊傾向性，此外，4號煤層地質賦存條件與開采技術對其開采過程中沖擊危險性具有較大影響。因此，通過對4號煤層開采各生產地質因素的分析，有效評價其沖擊危險性，并提出了防控方案對礦井安全具有重要的理論和實踐意義。

1 工程背景

小莊井田位于陜西中西部，40214工作面位于二盤區(qū)北部。礦井設計資源儲量524.74 Mt，礦井設計生產能力3.0 Mt/a，服務年限為80.1 a。4號煤層為本井田內的主采煤層，可采厚度為0.80～17.61 m，平均7.58 m。礦井40214工作面回風巷與泄水灌漿巷間留設20 m煤柱，煤柱中有垂直于巷道的13條聯(lián)絡巷將煤柱切割，破壞了煤柱的完整結構，回采時會造成應力集中。礦井曾在40203工作面回采期間有過多次較強烈的礦壓顯現(xiàn)，大部分發(fā)生在膠帶運輸巷一側，集中分布在巷道交叉、密集區(qū)域。40214工作面南側為實體煤，北側為胡家河煤礦401101、401102工作面采空區(qū)切眼，東側為軌道大巷保護煤柱，西側為井田邊界，保護煤柱60 m。工作面開拓布置，如圖1所示。

圖1 工作面開拓布置平面示意Fig.1 Schematic diagram of working face development layout

2 沖擊影響因素

2.1 地質因素分析

開采深度：小莊煤礦40214工作面地表最大標高+1 136.5 m，最低標高+889.3 m，煤層埋深約為430～600 m，平均埋深560 m，采深超過沖擊地壓發(fā)生的臨界深度380 m。因此，煤層開采深度是主控影響因素之一。

煤巖沖擊傾向性：小莊煤礦4號煤層及頂板的沖擊傾向性測定結果(見表1、表2)表明，煤層各分層皆具有弱沖擊傾向性，單軸抗壓強度分別為13.232 MPa、18.105 MPa、20.615 MPa；頂板彎曲能量指數(shù)38.420 kJ，具有弱沖擊危險性。可見，4號煤層及頂板的沖擊傾向性是主控影響因素之一。

表1 小莊煤礦4號煤層頂板巖層彎曲能量指數(shù)

表2 小莊煤礦4號煤層沖擊傾向性鑒定結果

頂板巖層結構特征：小莊煤礦40214工作面上方100 m內頂板巖層分為16層，其中砂巖層有10層。經(jīng)過計算煤系地層中巖層的強度比和弱面系數(shù)，并結合40214工作面頂板厚度特征，得出40214工作面頂板巖層厚度特征參數(shù)為88.15，大于50，因此認為頂板巖層結構是小莊煤礦40214工作面沖擊地壓主控影響因素之一，需要采取合理的措施，降低頂板的懸露長度，避免沖擊地壓事故的發(fā)生。

區(qū)域地質構造：小莊煤礦40214工作面內地層產狀穩(wěn)定，西北傾向，傾角5°，呈單斜構造。由于工作面回采至向斜軸部、小型斷層及褶皺時會出現(xiàn)應力集中，因此，區(qū)域地質構造是主控影響因素之一。

2.2 開采技術因素分析

煤柱寬度：40214工作面回采期間寬煤柱內會積聚大量的彈性勢能，根據(jù)應力控制理論，一定條件下較高的應力集中區(qū)存在沖擊危險性，煤柱寬度是主控影響因素之一。

開切眼位置：工作面回采過程中會受到401102、401103工作面采空區(qū)切眼拐角煤柱的影響，容易產生應力集中區(qū)，開切眼位置是主控影響因素之一。

巷道布置方式：工作面采用傾斜長壁綜合機械化采煤法回采，其中布置膠帶順槽、回風順槽、灌漿巷和順槽聯(lián)絡巷等巷道。切割煤柱容易造成應力集中，故巷道布置方式是主控影響因素之一。

相鄰采空區(qū)頂板冒落性：工作面受到北側胡家河煤礦401101、401102、401103工作面采空區(qū)頂板冒落的影響，由于距上述工作面回采時間較短，頂板根據(jù)現(xiàn)場情況垮落一般，故相鄰采空區(qū)頂板冒落性是主控影響因素之一。

3 沖擊危險性評價

3.1 綜合指數(shù)評價方法

綜合指數(shù)法就是在分析已發(fā)生沖擊地壓災害的基礎上，分析各種因素對沖擊地壓的影響，確定各種因素的影響權重，建立起沖擊危險性評價和預測的綜合指數(shù)方法。

沖擊危險狀態(tài)等級評定綜合指數(shù)用Wt表示，Wt=max{Wt1,Wt2}

(1)

式中，Wi為第i個影響因素的實際危險指數(shù)；Wimax為第i個影響因素的最大的危險指數(shù)；n為影響因素的個數(shù)。

將40214工作面地質因素具體參數(shù)與開采技術具體參數(shù)代入式(1)得到工作面在2種主要因素影響下的沖擊危險指數(shù)分別為0.47和0.33，即Wt=max{0.47，0.33}=0.47。通過綜合指數(shù)法得到?jīng)_擊危險綜合指數(shù)為0.47，根據(jù)沖擊危險狀態(tài)的分級準則判定40214工作面具有弱沖擊危險性。

3.2 可能性指數(shù)評價法

設引起沖擊地壓的因素為“應力”和“煤層沖擊傾向性”，則應力對“發(fā)生沖擊地壓”事件的隸屬度UIc的計算公式為

(2)

式中，k為應力集中系數(shù)，一般取2，煤柱區(qū)則另行計算；γ為巖石重度，N/m3；H為采深，m；[σc]為煤層單軸抗壓強度，Pa。

煤巖體的沖擊傾向性對“發(fā)生沖擊地壓”事件的隸屬度計算公式為

(3)

式中，Wet為沖擊傾向性彈性能量指數(shù)。

近似認為兩者對沖擊地壓的影響同樣重要，則可能性指數(shù)可表達為

(4)

40214工作面地面標高+889.3～+1 136.5 m，煤層埋深430～600 m，平均埋深560 m。代入式(2)可得Ic=1.66，UIc=1.0。

小莊煤礦4號煤層上、中分層的彈性能量指數(shù)為7.316、14.948，則煤巖的沖擊傾向性對“發(fā)生沖擊地壓”事件的隸屬度分別為1.0、1.0，故取UW=1.0。

將UIc和UWet帶入式(4)得可能性指數(shù)為U=1.0，即“能夠”發(fā)生沖擊地壓災害。

3.3 沖擊危險性綜合評價結論

基于以上計算，40214工作面基于可能性指數(shù)的沖擊地壓評價結果為U=1.0，具備了發(fā)生沖擊地壓的應力條件，與綜合指數(shù)評價結果相結合，確定了40214工作面具有弱沖擊危險性。

4 沖擊地壓防治方案

4.1 掘進期間沖擊地壓解危方案

大直徑鉆孔卸壓：掘進迎頭鉆孔與巷道軸向平行，在中心布置2個鉆孔，鉆孔距巷道底板1.5 m，孔間距為2 m，卸壓鉆孔直徑133 mm，孔深不小于18 m。巷道每掘進10 m，進行下一輪鉆孔施工，隨掘隨打。掘進工作面兩幫卸壓鉆孔直徑為133 mm，鉆孔布置在巷高的中部，孔深不小于18 m，孔間距為3 m。煤幫卸壓孔在不影響迎頭掘進施工的前提下，應盡量靠近迎頭，依次向前施工。掘進工作面大直徑卸壓孔布置方式如圖2所示。

圖2 掘進工作面大直徑卸壓鉆孔布置方案Fig.2 Layout scheme of large-diameter pressure relief drilling in the mining face

大直徑鉆孔卸壓加密：掘進期間大直徑鉆孔卸壓加密方案如圖3和圖4所示。其中掘進迎頭采用鉆孔直徑為不小于133 mm，鉆孔深度不小于18 m，按“三花眼”布置，底鉆孔距巷道底板1.5 m，頂鉆孔與底板距離為3 m，巷道每掘進10 m，進行下一輪鉆孔施工，隨掘隨打。掘進工作面兩幫鉆孔直徑為不小于133 mm，鉆孔深度不小于18 m，單排布置，鉆孔距巷道底板1.2～1.5 m，為了避免支護失效，鉆孔應盡量避開錨桿和錨索支護位置，孔間距1～2 m，與煤層方向相互平行。煤幫卸壓孔在不影響迎頭掘進施工的前提下，應盡量靠近迎頭，依次向前施工。

圖3 方案布置平面Fig.3 Plan layout of the scheme

圖4 方案布置剖面Fig.4 Plan layout section

煤層注水卸壓：煤層注水除能夠弱化煤層的彈性能積聚，降低沖擊危險性之外，還能夠起到降塵等輔助作用，因此，應當作為工作面回采過程中的日常措施實施，其實施位置應依據(jù)工作面推進速度保證足夠的浸水時長，一般應超前20～30 d，或依據(jù)經(jīng)驗保證注水范圍至少超前工作面60 m，同時應覆蓋危險區(qū)域前后20 m范圍。煤層注水施工包括鉆孔、封孔、注水等3個工序。對于鉆孔，考慮到煤層傾角，為了便于施工，工作面內注水孔布置在巷道高度的中部，深度一般不應小于10 m，為降低鉆孔難度，可采取雙巷同時鉆孔，將單一深孔變?yōu)?個相對較短的鉆孔，對于封孔，應當綜合考慮注水孔附近的卸壓孔深度，其封孔深度應至少大于卸壓孔深度，防止卸壓孔泄水。對于注水，采用動壓和靜壓結合的方式實施，在高壓狀態(tài)下注水，時間不少于30 h，而后降低壓力。

煤層卸載爆破：煤層卸載爆破鉆孔深度約18 m，間距5～10 m，孔徑42 mm，單孔裝藥量3～5 kg，封孔長度不小于6 m。其中掘進迎頭布置一個煤層卸載爆破鉆孔，鉆孔距底板為1.5 m，巷道每掘進10 m，進行下一輪鉆孔施工，隨掘隨打。鉆孔布置方式如圖5和圖6所示。

圖5 掘進工作面煤層卸載爆破示意Fig.5 Schematic diagram of unloading and blasting of coal seam in mining face

圖6 掘進迎頭煤層卸載爆破示意Fig.6 Schematic illustration of unloading blasting in the head coal seam

4.2 回采期間沖擊地壓解危方案

大直徑卸壓：正常回采期間，在劃定的弱沖擊區(qū)域及根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)正常等無應力集中區(qū)域內，大直徑鉆孔卸壓參數(shù)為鉆孔直徑不小于133 mm，鉆孔深度不小于12 m，孔間距2～3 m，鉆孔距巷道底板1.2～1.5 m，平行煤層方向，單排布置，順槽兩幫均進行卸壓。回采期間大直徑卸壓鉆孔布置如圖7所示。

圖7 回采期間大直徑卸壓鉆孔布置平面Fig.7 Layout plane of large-diameter pressure relief drilling during mining

大直徑鉆孔卸壓加密：當回采至劃定的中等沖擊區(qū)域及監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)預警等區(qū)域內施工卸壓鉆孔可按照大直徑鉆孔卸壓加密方案進行。回采期間大直徑鉆孔卸壓加密方案鉆孔直徑不小于133 mm，鉆孔深度不小于12 m，孔間距為1～2 m，鉆孔距巷道底板1.2～1.5 m(盡量避開錨桿、錨索支護位置，避免使支護失效)，平行煤層方向，單排布置，順槽兩幫均進行卸壓。回采期間大直徑卸壓鉆孔布置如圖8所示。

圖8 回采期間大直徑鉆孔卸壓加密方案布置Fig.8 Arrangement of pressure relief and intensification scheme for large-diameter drilling during mining

頂板定向水力壓裂：該技術來自于波蘭，是在巖體中預成方位確定的裂縫，在短時間內使用高壓水切割初始裂縫，從而形成尺寸或形狀規(guī)整的礦體或分層，壓裂原理如圖9所示。

圖9 定向水力壓裂原理Fig.9 Principle of directional hydraulic fracturing

煤層卸載爆破：在監(jiān)測沖擊地壓危險區(qū)的前后進行煤層卸載爆破鉆孔的施工，鉆孔深度不小于10 m，間距5～10 m，孔徑42 mm，鉆孔距底板1.5 m，單孔裝藥量3～5 kg，封孔長度不小于6 m，順槽兩幫均進行爆破。具體布置如圖10所示。

圖10 鉆孔布置Fig.10 Drilling arrangement

5 結論

(1)通過分析40214工作面的地質、開采技術及組織管理因素，確定主要影響小莊煤礦沖擊地壓的因素分別為開采深度、煤巖沖擊傾向性、頂板巖層結構特征、區(qū)域地質構造、煤柱寬度、開切眼位置、巷道布置方式及相鄰采空區(qū)頂板冒落性。

(2)運用綜合指數(shù)法與可能性指數(shù)法對40214工作面進行了沖擊危險性評價，其沖擊危險綜合指數(shù)與可能性指數(shù)分別為0.47、1.0，40214工作面開采具備發(fā)生沖擊地壓的條件，具有弱沖擊危險性。

(3)針對小莊煤礦地質賦存條件和開采技術條件，并結合現(xiàn)場施工條件，分別提出小莊煤礦40214工作面在掘進期間及回采期間不同沖擊危險區(qū)域的具體防治措施。