孤島仰采綜放工作面沖擊地壓研究及防治

劉建偉

（河南能源集團義煤公司，河南 義馬 472300）

沖擊地壓是積聚在井巷或工作面周圍煤巖體中的彈性變形能的瞬時釋放而發(fā)生的突然、劇烈破壞的動力現(xiàn)象[1-5]。目前對于傾斜長壁采煤工藝沖擊地壓防治的研究較少，如何有效防治孤島煤柱面的沖擊地壓，需要從多方面因素進行研究分析[6-10]。以常村煤礦MZ21010 孤島煤柱工作面為研究背景，通過對工作面沖擊危險性評價、防沖措施以及解危措施效果分析，來研究仰采孤島工作面沖擊地壓的防治具有重要作用。

1 工程概況

常村煤礦21 采區(qū)僅剩采區(qū)下山煤柱，該區(qū)域存在巨厚堅硬巖層，且厚度由北向南逐漸增大（厚度300～700 m）。MZ21010 煤柱工作面東部、西部均為采空區(qū)，屬于不規(guī)則孤島煤柱工作面，工作面標高為-140～ -240 m，最大埋深為760 m，平均煤厚11.2 m，平均傾角9.5°。工作面東側(cè)407 m 存在F16 逆斷層（H=0～100 m，∠20°～60°），沒有其他褶皺、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造。

MZ21010 工作面設(shè)計為仰采綜采放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。工作面運輸順槽與采空區(qū)之間煤柱寬度為10.6～17.6 m；回風(fēng)順槽與采空區(qū)之間煤柱寬度為11.3 m。在空間上，運輸順槽與21 延深煤柱工作面采空區(qū)之間煤柱水平方向?qū)挾葹?10.6 m，回風(fēng)順槽與21 延深煤柱工作面采空區(qū)之間煤柱水平方向?qū)挾葹?2.3～42.4 m。見下圖1 所示。

圖1 MZ21010 煤柱工作面位置圖

MZ21010 工作面基本頂為厚度449 m 礫巖和199.5 m 砂礫巖，直接底為4～13 m 碳質(zhì)泥巖、煤矸互層，高位賦存648.5 m 砂礫巖。

2 工作面沖擊危險性分析

2.1 煤層及頂?shù)装鍥_擊傾向性

依據(jù)《常村煤礦煤層及其頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性鑒定報告》，煤層動態(tài)破壞時間162 ms，彈性能指數(shù)3.42，沖擊能量指數(shù)1.84，單軸抗壓強度12.93 MPa，具有弱沖擊傾向性；煤層頂板巖樣彎曲能量指數(shù)27.21 kJ，大于15 kJ，小于120 kJ，具有弱沖擊傾向性；煤層底板巖樣彎曲能量指數(shù)16.14 kJ，大于15 kJ，小于120 kJ，具有弱沖擊傾向性。

2.2 埋深對沖擊地壓的影響

隨著開采深度的增加，煤層中的自重應(yīng)力增加，煤巖體中聚積的彈性能也隨之增加，煤體更容易達到發(fā)生沖擊地壓的極限應(yīng)力，發(fā)生沖擊地壓的可能性增大且釋放的能量也隨之增加。采深與沖擊地壓的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 采深與沖擊地壓發(fā)生的關(guān)系圖

依據(jù)采深與沖擊地壓的關(guān)系可知，MZ21010 工作面沖擊地壓發(fā)生指數(shù)約為0.17～0.53 次/百萬噸。

2.3 頂板巖層特征及關(guān)鍵層

MZ21010 工作面上覆巖層中普遍賦存巨厚堅硬巖層。隨著工作面的推采，上覆泥巖垮落運動發(fā)展到巨厚堅硬巖層，強度大，整體性強，如圖3 所示。隨工作面推采，巨厚堅硬巖層懸露面積逐漸增大，當(dāng)達到極限跨距時破斷。巨厚堅硬巖層自懸露至破斷前，其自身質(zhì)量及其控制的至地表的覆巖載荷作用于下方承載煤體，導(dǎo)致承載煤體處于高應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)達到?jīng)_擊的應(yīng)力水平時將發(fā)生沖擊地壓。

圖3 推采中巨厚堅硬巖層破斷過程示意圖

由于MZ21010 工作面兩側(cè)為大面積采空區(qū)，且地表已發(fā)生沉降，說明上方巨厚堅硬巖層沿工作面傾斜方向已斷裂，而在走向方向未斷裂，因此在走向方向上建立巨厚堅硬巖層初次破斷跨距的巖梁計算模型，計算公式如下：

式中：L0為巨厚堅硬巖層極限跨距，m；h為巨厚堅硬巖層厚度，m；[σt]為巨厚堅硬巖層極限抗拉強度，MPa；q為巨厚堅硬巖層上方巖層載荷，MPa；γ為巨厚堅硬巖層容重，kN/m3。

針對MZ21010 工作面地質(zhì)條件，q取5.52 MPa，軟巖容重γ取23 kN/m3，巨厚堅硬巖層容重γ取25 kN/m3，h取679 m，[σt]取8 MPa，得到MZ21010 工作面上方巨厚堅硬巖層初次垮落步距為572 m，周期破斷步距一般為初次破斷步距的1/3，則巨厚堅硬巖層周期破斷步距為191 m。

采用UDEC 數(shù)值軟件進行模擬分析，得到的MZ21010 工作面上方巨厚堅硬巖層初次斷裂步距與理論計算結(jié)果基本一致。

2.4 斷層構(gòu)造因素

MZ21010 工作面東側(cè)407 m 存在F16 逆斷層（H=0～100 m，∠20°～60°），回采期間在超前支承壓力和斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加下易誘發(fā)沖擊地壓。但隨著工作面的推采逐漸遠離F16 逆斷層，受該斷層構(gòu)造應(yīng)力的影響會逐漸減弱。

2.5 煤巖蠕變

根據(jù)常村煤礦以往所采的工作面，蠕變現(xiàn)象較為明顯，巷道壓力大，支護困難。MZ21010 工作面開采煤層均厚11.2 m，在孤島高應(yīng)力下煤體蠕變顯現(xiàn)劇烈，存在蠕變誘發(fā)型沖擊的可能。

2.6 采空區(qū)及煤柱的影響

由于MZ21010 工作面東西兩側(cè)均為采空區(qū)，導(dǎo)致工作面形成雙側(cè)“懸頂”覆巖結(jié)構(gòu)，上覆巨厚堅硬巖層自身及其控制下的地表巖層質(zhì)量施加于下方煤體上，導(dǎo)致工作面處于高應(yīng)力狀態(tài)。開采后工作面應(yīng)力集中程度和沖擊危險性將進一步增大。

采用綜合指數(shù)法評價，得到MZ21010 回采工作面沖擊地壓危險綜合指數(shù)Wt=0.73，為中等沖擊地壓危險。由于MZ21010工作面為孤島工作面開采，沖擊危險性較大，建議中等沖擊危險區(qū)按強沖擊危險區(qū)管理，弱沖擊危險區(qū)按中等管理。

3 工作面防沖解危措施

3.1 強支護

MZ21010 工作面運輸順槽、回風(fēng)順槽均采用錨網(wǎng)（索）噴+36U 三心拱支架復(fù)合支護，棚距900 mm，沿巷道中路打設(shè)液壓抬棚加強支護，且每間隔一架液壓抬棚打設(shè)一架門式抬棚。運輸順槽、回風(fēng)順槽拐頭段均采用ZQL2×4000/23/50 型巷道支架進行支護，巷道支架順巷道兩側(cè)均勻布置。

工 作 面 切 眼 使 用ZFA10000/22/35D 和ZFG13000/25/38D 型放頂煤支架，額定工作阻力為9231 kN 和10 128 kN。

3.2 強監(jiān)測

3.2.1 微震監(jiān)測

采用SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)進行區(qū)域監(jiān)測，MZ21010 工作面布置微震監(jiān)測點6 個，相鄰監(jiān)測點最小間距不大于200 m，最大間距不大于300 m。當(dāng)監(jiān)測點距工作面不足100 m 時及時挪移。

3.2.2 應(yīng)力監(jiān)測

在工作面運輸、回風(fēng)順槽安裝應(yīng)力計，應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)每組兩個監(jiān)測點，同一監(jiān)測組內(nèi)相鄰測點沿走向間距不大于2 m，監(jiān)測點埋深分別為12 m、18 m。相鄰監(jiān)測組沿走向間距不大于30 m。煤柱寬度10～21.8 m 區(qū)域，安裝深度為煤柱寬度的1/2。

3.2.3 鉆屑法監(jiān)測

鉆屑孔孔徑42 mm、孔深15 m，工作面運輸、回風(fēng)順槽兩幫布置，鉆孔間距20 m，監(jiān)測范圍不小于超前100 m。

3.2.4 礦壓監(jiān)測

工作面每10 架安裝一個壓力監(jiān)測站，對工作面各支架前柱、后柱壓力大小及變化情況進行統(tǒng)計分析，來反映支架受力變化情況及循環(huán)增阻情況，以此判斷直接頂、基本頂?shù)某醮慰迓洳骄嗉爸芷趤韷夯顒右?guī)律。

3.3 強卸壓

3.3.1 大直徑卸壓鉆孔

在回采之前，對切眼實煤體段及運輸順槽、回風(fēng)順槽實施大直徑鉆孔卸壓。鉆孔參數(shù)如下：

1）切眼：鉆孔角度10°～13°，孔深50 m，孔徑125 mm，孔間距1.5 m（一架一個），掘進期間打50 m 允許回采30 m。

2）運輸順槽：自50 m 處向上在東幫施工卸壓鉆孔，孔深50 m，孔間距不大于1 m，孔徑125 m。

3）回風(fēng)順槽：在回風(fēng)順槽西幫施工孔深43 m的卸壓鉆孔將煤柱打穿，角度為5°～7°，孔徑125 mm，孔間距不大于1 m。

3.3.2 斷底措施

回采期間，當(dāng)工作面兩巷底煤厚度大于1 m 時，須采取注水和爆破等斷底措施。

1）當(dāng)?shù)酌汉穸? m ＜d≤1.5 m 時，在巷道兩幫腳實施底板卸壓孔，孔徑75 mm，孔間距（1±0.2）m，卸壓孔進行“隔一注一”，終孔接觸底板巖層為止。

2）當(dāng)?shù)酌汉穸?.5 m ＜d≤4 m 時，在巷道兩幫腳實施斷底措施，孔徑42 mm，孔間距（1±0.2）m，采用“隔一爆一”方式，沒有進行爆破的孔插管注水。終孔接觸底板巖層為止。

3.4 限開采強度

工作面保持低強度勻速推進，每天推采速度不超過2 刀（1.6 m/d）。

3.5 限定員

工作面生產(chǎn)期間，運輸順槽實行封閉管理。生產(chǎn)班工作面及兩巷超前支護范圍內(nèi)不得超過16 人，檢修班不得超過40 人。

4 防沖效果

MZ21010 工作面回采兩個月來（工作面共推進30 m），微震事件多發(fā)生在運輸順槽附近，共發(fā)生微震事件722 個，總能量6.01×105J。其中4 次方微震事件3 次，3 次方微震事件121 次。最大事件能量為3.23×104J，位于運輸順槽聯(lián)絡(luò)巷以下338 m，距運輸順槽以西7 m，距頂板以下10.3 m。當(dāng)巷道底煤厚度＞4 m 時，除巷幫底角實施斷底措施（參數(shù)同第（2）條規(guī)定）外，每隔10～20 m 沿巷道橫斷面施工2～3 個底板爆破孔，孔徑42 mm，間距1～1.5 m。

防沖監(jiān)測系統(tǒng)可以看出，工作面回采兩個月來應(yīng)力變化較為穩(wěn)定，深孔、淺孔在6～7.8 MPa（淺孔預(yù)警值為≥8 MPa，深孔預(yù)警值為≥10 MPa）；工作面液壓支架的工作阻力最大在30 MPa，一般為15～25 MPa。工作面回采兩個月的工作面應(yīng)力及礦壓監(jiān)測如圖4～5 所示。

圖4 7 月份工作面的應(yīng)力、礦壓監(jiān)測圖

圖5 8 月份工作面的應(yīng)力、礦壓監(jiān)測圖

由于21 采區(qū)下山采空區(qū)及老巷的影響，MZ21010 工作面在回采期間的初次來壓不明顯，通過各項防沖措施的實施，回采期間工作面的大能量事件得到有效控制，應(yīng)力變化較穩(wěn)定，未出現(xiàn)超預(yù)警值事件，液壓支架處于較低阻力工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

1）通過理論計算及UDEC 數(shù)值模擬分析，得到的工作面上覆巨厚堅硬巖層初次斷裂步距較工作面推采距離長，不會導(dǎo)致上覆巨厚堅硬巖層大范圍失穩(wěn)運動。

2）通過對沖擊地壓影響因素的分析和數(shù)值模擬，評定MZ21010采煤工作面為中等沖擊地壓危險。由于該工作面為孤島工作面開采，沖擊危險性較大，建議中等沖擊危險區(qū)按強沖擊危險區(qū)管理，弱沖擊危險區(qū)按中等管理。

3）根據(jù)“三限三強”的防沖原則，結(jié)合孤島仰采工作面的實際特點，綜合采用微震、應(yīng)力、鉆屑、礦壓監(jiān)測等對工作面沖擊危險性進行實時監(jiān)測，同時采用大直徑鉆孔卸壓、斷底爆破、限制推進度、限員管理等防沖措施。

4）通過工作面回采兩個月來各項監(jiān)測指標的統(tǒng)計分析，得出工作面各項防沖措施是積極的、有效的。

5）微震能量事件多數(shù)發(fā)生在運輸順槽附近，最大能量事件也發(fā)生在運輸順槽附近，要進一步優(yōu)化運輸順槽的卸壓參數(shù)，更好地釋放應(yīng)力，確保低應(yīng)力回采。