全空間立體防控沖擊地壓技術與應用

王 冰，王東杰，呂大釗

(陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

近年來，沖擊地壓災害日益嚴重，沖擊發生強度和頻度顯著增加，造成巨大經濟損失和人員傷亡，嚴重制約煤炭安全開采[1-3]。在我國沖擊地壓煤層開采實踐過程中，為防止沖擊地壓的發生，在采掘生產過程中在井下采取頂板深孔爆破、頂板定向水力壓裂、煤層爆破卸壓、煤層大孔徑卸壓、煤層高壓注水、斷底爆破、底板切槽等局部卸壓措施，劣化應力集中區煤巖體力學性質，人為調整巷道圍巖系統結構特征，使得高集中應力向巷道深部圍巖轉移，從而使得巷道圍巖處于低應力環境[4-6]。采取以上措施雖然取得了一定的效果，但是卻沒有從根本上改變采場的應力環境，沖擊地壓事故仍時有發生[7-9]。為此，陜西彬長孟村煤礦率先在401102工作面應用全空間立體防控沖擊地壓技術，即地面采用L型水平井區域壓裂，井下采用頂板深孔爆破、煤層大孔徑卸壓等技術措施。

1 全空間立體防控沖擊地壓技術的提出

1.1 工程背景

彬長礦區目前主采侏羅系4號特厚煤層，煤層厚度18～26 m，煤層埋深620～910 m，覆巖賦存多層堅硬砂巖，抗壓強度在60～120 MPa。采用走向長壁分層綜合機械化放頂煤開采方法，正常割煤高度3.5 m，放煤高度平均10.5 m，采放比為1∶3，全部垮落法管理頂板。因煤層一次開采厚度大，覆巖破斷運移范圍廣，4號煤層具有強沖擊傾向性，頂板巖具有弱沖擊傾向性，受動靜載疊加影響極易發生沖擊地壓。

為探明覆巖運移規律及沖擊地壓顯現機理，綜合大量現場原位實測、相似模擬、理論分析等研究發現，4號煤層上方150 m以內存在3組關鍵層，如圖1所示。高位關鍵層為距離煤層上方約140 m的宜君組礫巖層，厚度30 m左右，鈣質膠結；中位關鍵層為距離煤層上方約60 m的安定組含礫砂巖層，厚度40 m左右；低位關鍵層為距離煤層上方約10 m的延安組合層砂巖，厚度15 m左右。低位關鍵層在工作面回采過程中能夠及時垮落，其沖擊致災影響程度降低；中位關鍵層出現明顯的滯后垮落情況，其沖擊致災影響程度將大幅升高。因此，認為中位關鍵層對工作面沖擊地壓的致災影響程度最大。

圖1 4號煤層上覆關鍵層識別示意

1.2 全空間立體防控沖擊地壓技術思路

通過對國內外相關文獻的閱讀和研究發現，目前國內外井下普遍采取以頂板深孔爆破、頂板定向水力壓裂、煤層爆破卸壓、煤層大孔徑卸壓等方式防治沖擊地壓[10-12]。受井下裝備、技術及施工條件限制，以上措施僅能弱化處理煤層上覆頂板50 m范圍內的堅硬巖層，對于50 m以上的高位堅硬巖層束手無策。地面L型水平井區域壓裂技術是油氣田開發過程中普遍使用的一種增產技術，其作用機理是將壓裂液通過液壓泵泵入儲層，使得在目標層內形成具有一定幾何尺寸和導流能力的人工增透裂縫，從而提高抽采效率。借鑒該技術思路，提出了全空間立體防控沖擊地壓技術，通過地面壓裂對中位關鍵層堅硬頂板實施壓裂改造，井下頂板深孔預裂爆破對低位關鍵層堅硬頂板進行處理，降低巖層的整體性及其破斷強度；同時結合煤層大直徑鉆孔卸壓，達到防控沖擊地壓的目的。地面壓裂堅硬頂板示意如圖2所示。

圖2 地面壓裂堅硬頂板示意

2 全空間立體防控沖擊地壓技術

2.1 地面L型水平井區域壓裂

地面L型水平井壓裂是在采前對中位關鍵層堅硬頂板進行的大范圍改性卸壓。通過對目標巖層提前進行壓裂，使完整性好的目標巖層內形成數量眾多，方位和長度不一的網狀裂縫，在采動應力作用下，裂縫面周圍弱面進一步發育擴展，弱化了巖層的強度及其破斷失穩的能量釋放級別，從而達到控制中位關鍵層堅硬頂板的目標。參考401盤區M2-1、M3-2、M4-1等鉆孔資料，距離煤層頂板54～72 m，平均64 m范圍內有一層含礫中粗砂巖，厚度20 m左右；該區域含礫中粗砂巖不易斷裂，是形成堅硬頂板的主要巖層，所以水平段目標層為煤層上覆堅硬含礫中粗砂巖(安定組下段)。

設計在401102工作面東側布置1號水平井，目標組為安定組下段含礫砂巖層，總井深1 597 m；一開進尺220 m，二開進尺607 m，三開水平段進尺770 m。西側布置2號水平井，目標組為安定組下段含礫砂巖層，總井深1 683 m；一開進尺170 m，二開進尺623 m，三開水平段進尺770 m。裂縫段間距設計為40～60 m，以穿透安定組底部含礫中粗砂巖為改造目標，縫高作為關注重點因素，根據安定組發育厚度，上下縫高總和控制在30 m左右比較合理；縫長約為100～150 m，縫寬0.3～0.6 mm。地面L型水平井布置位置如圖3所示。

圖3 地面L型水平井平面布置示意

兩口井壓裂期間，地面微地震系統累計開展進行了31段監測，單段縫長81～340 m，平均縫長268 m；帶寬42～203 m，平均帶寬80 m；縫高37～59 m，平均縫高50 m；累計監測事件9 250起，單段監測事件46～454起，單段微震事件數平均289起，單段壓裂平均造縫面積為15 287 m2。從圖4可以看出，除切眼前方0～155 m和960～1 024 m，共計約220 m范圍外，人工裂縫沿401102工作面走向方向基本上實現了全覆蓋。

圖4 地面微震系統監測的裂縫擴展結果

2.2 頂板深孔預裂爆破

深孔爆破技術基于爆炸產生的爆轟波，在堅硬巖層內形成破碎區和裂隙區，弱化了堅硬巖層的物理力學特性及破斷強度；在采動應力的進一步影響和作用下，裂隙擴展發育，堅硬巖層強度降低，易于發生破斷失穩，從而達到控制堅硬頂板的目的。4號煤層上方30 m范圍內存在20 m合層砂巖，設計在401102工作面兩順槽實施頂板深孔預裂爆破。每個鉆場實施2個鉆孔，方位角分別為0°、180°，仰角為75°，炮孔間距10 m，炮孔直徑75 mm，裝藥量62.7 kg，裝藥長度20 m，封孔長15 m。采用φ60 mm被筒炸藥，每卷炸藥長度350 mm，重量1.1 kg/卷。頂板預裂爆破鉆孔布置情況如圖5所示。

圖5 頂板預裂爆破鉆孔布置示意

2.3 煤層大孔徑卸壓

鉆孔卸壓的原理就是在煤體的應力集中或潛在應力集中區施工一系列的大直徑鉆孔，產生自由空間，改變煤體的應力分布，使煤體-圍巖系統聚集的彈性能得到緩慢釋放，并將應力峰值向圍巖深部轉移，降低應力集中程度，達到防治沖擊地壓效果的一種卸壓方法。設計在工作面兩順槽兩幫和兩底角施工大孔徑卸壓鉆孔。兩幫鉆孔直徑153 mm，傾角0°～3°，深度25 m，間距0.7 m，鉆孔距巷道底板高度1.5 m。兩底角鉆孔直徑153 mm，傾角-45°，深度10 m，間距0.7 m。煤層大孔徑卸壓鉆孔布置如圖6所示。

圖6 煤層大孔徑卸壓鉆孔布置示意

3 防控沖擊地壓效果分析

401102工作面于2021年10月3日開始回采，2021年11月18日，工作面回采至110 m采位附近，進入壓裂裂縫擴展區域。對401102工作面在壓裂裂縫擴展區域開采期間微震、地音、支架工作阻力及巷道變形規律進行監測分析，并與地質條件相似的401101工組面進行對比分析。

3.1 基于支架壓力監測的防沖卸壓效果對比

對比401101工作面和401102工作面的支架壓力監測數據發現，401102工作面較401101工作面來壓步距縮短了5.6 m，來壓強度相比401101工作面的43～45 MPa降低至40～42 MPa，支架壓力監測數據對比見表1。401101工作面周期來壓步距為34.3 m，401102工作面僅在未壓裂區域出現5次周期來壓，周期來壓步距22.5 m，進入壓裂區域后工作面再無明顯周期來壓。

表1 支架壓力監測數據對比

地面壓裂大幅降低了工作面的應力集中，工作面不再出現明顯周期性來壓。分析其原因為，未壓裂區受低位關鍵層控制的煤層上方60 m范圍內的頂板能夠充分垮落，但不足以充填采空區，導致受中位關鍵層(安定組)控制的60～140 m范圍內的巖層仍可形成大面積懸頂和周期垮落現象，造成工作面中部呈現周期性來壓現象；進入地面壓裂區域后，壓裂裂縫能夠貫穿直羅組和安定組下部巖層，使中位關鍵層無法形成承載結構，受其控制的60～140 m范圍內巖層也能充分垮落，此時采空區垮落較為充分，距離煤層上方140 m的高位關鍵層(宜君組)呈現緩慢彎曲下沉的拱形結構，能對其上方巖層起到較好的承載作用，壓裂前后采場來壓結構如圖7所示。此時，工作面液壓支架的工作阻力主要來自高位空間層以下的破碎巖體在自重應力作用下的“給定載荷”狀態，在這種狀態下，支架表現為壓力低、來壓不明顯的特征。同時也說明地面壓裂對目標巖層起到了很好的卸壓效果，對沖擊地壓及礦震都有明顯的降低作用。

圖7 壓裂前后采場來壓結構示意

3.2 基于微震監測的防沖卸壓效果對比

從微震空間分布結果可以看出，401101工作面微震事件大多聚集靠近煤層中央大巷側的運輸巷，呈趨向性分布；401102工作面基本均勻分布在工作面前后120 m范圍內，且傾向上分布也比401101工作面均勻，說明采用頂板爆破預裂措施可以降低由于局部應力集中帶來的沖擊地壓風險。對比401101工作面和401102工作面回采前3個月的微震事件能量等級和頻次都明顯降低，如圖8所示。可以推斷，全空間立體防控沖擊地壓技術使上覆巖層提前弱化破斷，有效避免了因為頂板破斷產生的大能量微震事件，有利于工作面的沖擊地壓防治。

圖8 微震監測事件投影

3.3 基于地音監測的防沖卸壓效果對比

統計分析401102工作面初采期間各區的地音活動參數，見表2。延米地音釋放能量及頻次從高低依次為初次來壓影響區且非地面壓裂影響區的>“單面見方”影響區且地面壓裂影響區>非地面壓裂影響區且非頂板活動異常區。可以看出，地面壓裂區域相對于非壓裂區域初次來壓期間的微破裂活動有所減弱。

表2 401102工作面初采期間地音監測數據統計

3.4 基于應力監測的防沖卸壓效果對比

根據401102工作面回采期間運輸巷及回風巷回采幫應力監測數據分析，煤體所受垂直應力整體偏小，除個別測點壓力值達到8 MPa以外，其余測點均未超過7 MPa；從24 h應力增量來看，變化幅度小，均不大于0.5 MPa。工作面回采并沒有使煤體應力達到較高的沖擊危險等級，可見在煤層卸壓和頂板預裂的作用下，其頂板活動強度大幅減小。

4 結論

(1)針對當前煤礦沖擊地壓防治受井下控制范圍小、效果有限的問題，提出一種通過全空間立體防控沖擊地壓技術控制沖擊地壓的方法，通過地面壓裂對中位關鍵層堅硬頂板實施壓裂改造，井下頂板深孔預裂爆破對低位關鍵層堅硬頂板進行處理，大直徑鉆孔對煤層進行卸壓，改善了超前巷道應力環境，杜絕了1×104J以上微震能量事件，達到了大范圍、高效性控制沖擊地壓的目的。

(2)理論與實踐研究結果表明，地面水平井壓裂裂縫可完全覆蓋工作面采場區域，控制范圍大，壓裂效果好。與傳統井下堅硬頂板壓裂技術相比，地面壓裂技術對生產干擾小，施工效率高，壓裂層位選取靈活，橫向、縱向裂縫拓展長度更遠，壓裂效果大幅提升。

(3)地面壓裂技術對堅硬巖層弱化改性，使得集中應力和能量轉移釋放，從源頭上消除(減小)沖擊地壓危險性，應加大對地面壓裂技術在防治沖擊地壓和強礦壓災害方面的推廣應用。