近距離煤層沖擊地壓防治技術研究

王 星

（大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037000）

本文以塔山礦井近距離煤層開采防治沖擊地壓為原型進行了深入研究，沖擊地壓是煤巖體中積聚的應變能突然而猛烈釋放造成的，特別是在近距離空間交叉采場內[1]，當上部采場推至距離下部煤層巷道掘進迎頭附近時，下部巷道受上部工作面超前支承壓力影響，掘進迎頭前方煤體上部應力逐漸增大，能量逐漸積聚，引起煤體發生松動破壞[2]，如若能量在瞬間突然釋放，會使得掘進巷道迎頭松動煤體拋出甚至噴出，涌入已掘巷道，發生沖擊地壓，造成嚴重的人員傷亡[3]。

1 近距離煤層開采部署

下行開采二采區1145工作面時，當上部工作面合理布置完畢后，上部煤層工作面布置為下部煤層工作面的保護層。由于二采區煤層受斷層影響具有較強的沖擊地壓危險性，在進行下部工作面布置和采掘時，要考慮上下煤層工作面的合理布置位置以及采掘關系。

1.1 工作面巷道合理布局

1.1.1 空間合理

當近距離1145工作面煤層下行開采時，上部工作面回采過后會對下部煤層工作面產生卸壓作用。因此上部工作面回采后會留有一定寬度的煤柱，一般認為在煤柱下方的區域為增壓區，應力高于原巖應力，在采空區下方的一定區域為卸壓區，應力低于原巖應力，為使下部煤層工作面處于低應力區，往往內錯上部煤層工作面煤體邊緣一定距離布置下部煤層巷道，目前近距離煤層回采巷道空間位置關系主要有內錯式布置、外錯式布置和重疊式布置三種形式，如圖1所示。

1.1.2 時間合理

對于近距離下行開采1145工作面煤層，不僅要在空間上布置合理，避開上部煤層工作面采動對下部煤層的沖擊影響，還要合理協調上、下煤層工作面在采掘時間上的辯證統一關系。

要求上下煤層工作面一般不允許同時進行采掘活動，但是不少礦井在出現采掘接替緊張的情況時，便對近距離煤層同采同掘進行研究與部署。在安排采掘時間關系時，首先保證下部工作面巷道采掘時處于上部煤層工作面的采動影響范圍以外，其次保證上部工作面采空區頂板穩定之后，下部工作面才能進行采掘活動。

圖1 近距離煤層回采巷道空間位置關系示意圖

1.2 相對安全距離

（1）下層煤巷道應力分區

在近距離開采1145工作面煤層過程中，如圖2所示，上層煤的回采使得下部煤層分為原巖應力區、增壓區與卸壓區三個區域，在上層煤回采、下層煤掘進過程中，如何確定三者的范圍，對于安全生產格外重要。

圖2 近距離上部煤層對下層煤影響區域劃分

（2）相向采掘安全距離

當近距離開采1145工作面煤層相向進行采掘活動時，如何確定上部煤層對下部煤層增壓區，決定著設置合理安全距離，安排停掘時間，如若安排不合理，極有可能引起沖擊地壓的發生。

如圖3所示，計算相向采掘安全距離見公式（1）、（2）、（3）。

式中：

L-相向采掘最小安全距離，m；

L0-上部煤層工作面超前支承壓力傳遞至下層煤應力影響范圍，m；

L1-下層煤迎頭應力影響距離，m；

L3-上層煤超前支承壓力傳遞距離，m；

L2-上部煤層超強支承壓力影響距離，m；

B-安全距離，由沖擊地壓波影響范圍所決定，一般選擇15～30m；

γ-上部煤層層煤的應力峰值傳播角γ，一般取 30～45°；

m-層間距，m。

圖3 近距離煤層相向采掘安全距離確定

（3）背向采掘安全距離

上部煤層不再是影響下部煤層巷道安全的主導因素時，下部煤層巷道方可開始進行掘進。根據上述理論分析，從空間上確定上組煤與下組煤背向采掘最小安全距離。

隨著上部煤層工作面繼續向前推采，其采空區垂直區域下部煤層一段區域為其卸壓區，如圖4所示。在工作面回采過程中，工作面煤壁前方煤體向下有一影響角φ，此影響角以外（即采空區側）為卸壓區，也可叫做卸壓角，φ一般取30～40°，則在煤壁下方取一點，采空區下方l水平距離內依然受到上部煤層的采動影響，此l1值：

式中：

l1-背向采掘時最小安全距離，m；

l0-上部煤層對下部煤層的卸壓范圍，m；

L上-上層煤周期來壓步距，m。

2 近距離煤層沖擊地壓防治措施

對于近距離開采1145工作面煤層時沖擊地壓防治來說，首先確定“上采下掘”時的安全距離；其次，由于上部煤層采動影響，在下部煤層巷道掘進過程中進行“分段式”防治，如圖5所示。

圖4 近距離煤層背向采掘應力影響示意圖

圖5 下部煤層巷道掘進過程中分段式防治

（1）Ⅰ區域防治措施

在近距離煤層“上采下掘”過程中，圖中Ⅰ區域始終處于上部煤層的采動影響之下，Ⅰ區域巷道承載著較大的壓應力。下部煤層巷道停止掘進前，Ⅰ區域巷道掘進全程進行煤層深孔強注水處理。煤層深孔強注水使煤體軟化，使該區域大范圍內、大空間內積聚的能量得到有序釋放。

（2）Ⅱ區域防治措施

在巷道停止掘進之后，隨著上部工作面持續向前推采，下部煤層巷道掘進迎頭前方煤體所積聚的能量越來越多，具有發生沖擊地壓的可能。為此，對該區域煤體進行誘發鉆孔爆破處理，制造大范圍的破壞區來緩沖上部煤層采動對下部煤層巷道的應力集中，使得迎頭前方應力場向煤體深部轉移。

（3）Ⅲ區域防治措施

下部煤層巷道恢復掘進之后，處于上部煤層工作面保護層范圍內，即處于靜壓影響區域。鉆孔卸壓能把巷道周圍的應力集中區轉移到巷道圍巖深部，卸壓效果好，靈活可靠，不受井下煤層地質條件的限制，具有較強的適應性。因此在掘進過程中，遵循“邊探邊掘”的原則，發現危險即采取鉆孔卸壓的措施進行處理。

3 近距離煤層沖擊地壓防治情況效果

3.1 近距離煤層沖擊地壓防治情況

在煤層具有沖擊危險傾向區，采用大直徑鉆孔卸壓及煤體爆破相結合的方式，進行煤體卸壓。在一般危險區，為最大幅減少鉆孔卸壓對巷道掘進的影響，應采用施工注水硐室對煤層進行超前注水作業。其參數一般設置為：注水硐室寬3m，高2.8m，深3m，幫部錨桿為Φ18mm×2000mm，間排距為1000mm×100mm，錨固長度≥1m，最小錨固力不小于60kg。其解危方案如圖6所示。

圖6 一般沖擊危險區解危方案

3.2 近距離煤層沖擊地壓防治效果

采用電磁輻射儀對塔山煤礦1313工作面下平巷掘進過程進行監測，兩個月間電磁監測結果如圖7所示。強沖擊危險區域電磁輻射脈沖強度和頻次均最高，脈沖強度不小于100mV，最大時為180mV；一般沖擊危險區域電磁輻射脈沖強度和頻次均降低，脈沖強度不小于20mV，最大時為100mV。當采取上述分區域沖擊地壓卸壓措施后，電磁輻射的強度均低于臨界指標。說明分區域沖擊地壓解危措施有效降低了沖擊地壓危險，取得了很好的效果。

圖7 不同沖擊危險區域電磁輻射監測結果

4 結語

本文主要研究塔山煤礦1313工作面近距離煤層開采時，如何防治沖擊地壓技術，通過理論分析近距離煤層沖擊地壓可能的影響因素，根據近距離煤層時空作用機制以及發生沖擊地壓時危險程度的動態性變化情況的分析，推導了近距離煤層相向與背向采掘合理的水平安全距離的計算公式，同時為其他礦井近距離開采煤層時防治沖擊地壓提供了寶貴經驗。