近距離煤層開采沖擊地壓預測與防治技術研究

王 振

（中國煤炭科工集團北京華宇工程有限公司，陜西 西安 710075）

隨著礦井開采深度的增加和地質條件的復雜，沖擊地壓已經成為我國礦井面臨最嚴峻的動力災害之一[1～3]。沖擊地壓瞬間釋放巨大的彈性能，不僅會造成井下設備的損害，嚴重情況下還會造成人員的傷亡[3]。近距離煤層群開采條件下沖擊地壓的預測和防治更是一項難題，上煤層開采后殘留的區段煤柱及一側采空的煤體在底板形成的集中應力，會使下煤層回采時面臨復雜的應力環境，在采動影響下容易發生沖擊地壓[4～6]。因此，通過分析上下煤層群開采時沖擊地壓顯現規律，研究沖擊沖擊預測和防治技術，保證礦井的安全回采。

1 地質概況

漳平礦2煤和4煤層屬于近距離煤層，煤層間距20m，上煤層2煤四采區4202工作面和下煤層4煤四采區4401工作面是該礦首個近距離聯合開采工作面。2煤層平均傾角32°，煤層平均厚度2.5m。4煤層平均傾角26°，煤層平均厚度1.9m。4401工作面進行巷道掘進時，其上部2煤層4202工作面正進行回采工作，二者落差在20m左右。

2 近距離煤層不同位置關系數值模擬

2.1 模擬方案

采用RFPA模擬不同錯距下2煤4202工作面和4煤4401工作面回風巷掘進同采時變形破壞情況，得出上下煤層開采合理錯距。根據礦井巖層性質設定模型參數，建立長寬高=291mm×300mm×53mm模型，其巖層力學參數見表1。

表1 模型巖層力學參數表

2.2 模擬結果分析

通過RFPA模擬得到2煤和4煤不同錯距情況下開采主應力圖，如圖1所示。

圖1 上下煤層不同錯距主應力圖

由圖1可知，隨著上下煤層之間距離的減小，下煤層4401工作面回風巷迎頭及兩幫所承受的應力逐漸增加，巷道在高應力的作用下變形破壞情況也趨于嚴重。當上煤層4202工作面距下煤層4401工作面回風巷迎頭110m時，巷道受上煤層工作面回采影響小，巷道迎頭區域承受應力小，圍巖基本沒有發生位移變形。當上煤層工作面距下煤層巷道迎頭距離小于110時，巷道迎頭及兩幫開始出現應力集中，圍巖開始出現位移變形，二者距離減小至80m時，應力顯現明顯，圍巖變形量達到7～8mm。根據模擬以及礦井實際條件分析可知，上下煤層同采時合理錯距大于100m時，下煤層巷道掘進受上煤層工作面回采影響較小。

3 沖擊地壓危險區域劃分

3.1 4401回風巷掘進沖擊地壓危險區域

4401工作面回風巷地質條件簡單，巷道掘進期間主要受到上煤層4202工作面回采的影響，巷道掘進期間共劃分三個危險區域，見表2。

表2 4401工作面回風巷掘進期間沖擊地壓危險區域

表3 4202工作面回采沖擊危險區域

3.2 4202工作面回采沖擊地壓危險區域

4202工作面地質條件簡單，回采期間主要受斷層、初壓與見方影響，共劃分五個危險區域，如表3所示。

4 沖擊地壓防治技術

4.1 掘進期間沖擊地壓防治技術

4401工作面回風巷沖擊地壓采用“分段式”防治措施，分別根據不同沖擊危險區域制訂最優的防治措施。

1）Ⅰ區域。

巷道掘進期間Ⅰ區域、Ⅱ區域都會受到2煤工作面回采超前支承壓力的影響，容易形成應力集中。因此，通過煤層注水的方式軟化煤層，避免應力在該區域的集中。

Ⅰ區域、Ⅱ區域采用煤層注水防治沖擊地壓，分別在巷道兩側布置注水鉆孔，兩側孔深分別為20m、15m，孔徑Φ56mm，間距10m，平行布置，初設注水壓力不小于5MPa。

2）Ⅱ區域。

Ⅱ區域雖然已經采用煤層注水卸壓，但是隨著2煤4202工作面回采，巷道迎頭受到動壓威脅較大，因此，在注水卸壓后還需要采用鉆孔爆破方式進一步卸壓，保證巷道掘進安全。

巷道迎頭采用扇形循環爆破，迎頭前部依次布置3個爆破鉆孔，孔深10m，間距0.5m，孔徑Φ42mm，鉆孔斜向上45°；迎頭后路每隔3m打10m深鉆孔，鉆孔斜向上3°～5°，鉆孔距離地板1.2m，裝藥量為1/3～1/2，鉆孔布置示意圖如圖2所示。圖中，A1為迎頭前部爆破區域，A2為迎頭后路爆破區域。

圖2 4401回風巷迎頭爆破卸壓示意圖

3）Ⅲ區域。

Ⅲ區域受斷層影響有發生沖擊的危險性，但是由于2煤的回采使得該區域危險等級為弱沖擊，在該區域采用大直徑鉆孔的方式進行卸壓。

Ⅲ區域采用大直徑鉆孔的措施進行卸壓，鉆孔深度為20m，間距2m，孔徑Φ110mm，鉆孔距離地板1.2m。每5個鉆孔為一組，每組鉆孔間距為5m。

4.2 回采期間沖擊地壓防治

4202工作面回采期間沖擊危險區域采用大直徑鉆孔和勻速慢推的方式進行卸壓。大直徑鉆孔參數與4401工作面回風巷Ⅲ區域鉆孔參數一致。工作面回采至距巷道迎頭110m位置時采用勻速慢推，避免應力在工作面和巷道集中。當工作面回采至背離巷道迎頭40m位置時，恢復工作面正常的回采速度。

5 卸壓效果檢驗

采用鉆屑法對沖擊地壓危險區域進行監測，并對卸壓后效果進行檢驗。根據礦井已采工作面監測結果，結合2煤、4煤參數，得到4401工作面回風巷掘進和4202工作面回采沖擊危險區域煤粉量臨界指標，如表4所示。

表4 鉆屑法監測沖擊地壓煤粉量指標

4401工作面回風巷掘進沖擊危險區域采用鉆屑法監測卸壓效果，鉆孔孔徑42mm，孔深7.0m，距巷幫1.0m，距巷道底板1.5m。監測結果最大鉆粉量為2.8kg/m，卸壓效果良好，卸壓后巷道無沖擊危險。

4202工作面回采沖擊危險區域同樣采用鉆屑法監測卸壓效果，鉆孔參數一致。監測結果最大鉆粉量為2.3kg/m，卸壓效果良好，卸壓后工作面無沖擊危險。

6 結 論

1）以近距離煤層工作面為研究對象，采用RFPA模擬了不同錯距2煤4202工作面和4煤4401工作面回風巷同采合理錯距，通過主應力圖可知，上下煤層同采時合理錯距大于100m時，下煤層巷道掘進受上煤層工作面回采影響較小。

2）根據礦井地質條件，劃分了4401工作面回風巷掘進期間和4202工作面回采期間沖擊危險區域。巷道掘進期間采用“分段式”防治措施，Ⅰ區域采用煤層注水卸壓，Ⅱ區域采用煤層注水+爆破卸壓，Ⅲ區域采用大直徑鉆孔卸壓。工作面回采期間危險區域采用大直徑鉆孔卸壓+勻速慢推的防治措施。

3）采用鉆屑法進行卸壓效果檢驗，結果表明，最大煤鉆粉量沒有超過沖擊地壓臨界值，卸壓效果良好，有效的防治了沖擊地壓。