近距離煤層開采沖擊地壓預(yù)測與防治技術(shù)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(zhì)條件的復(fù)雜，沖擊地壓已經(jīng)成為我國礦井面臨最嚴(yán)峻的動力災(zāi)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(shè)備的損害，嚴(yán)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(yù)測和防治更是一項難題，上煤層開采后殘留的區(qū)段煤柱及一側(cè)采空的煤體在底板形成的集中應(yīng)力，會使下煤層回采時面臨復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，在采動影響下容易發(fā)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(xiàn)規(guī)律，研究沖擊沖擊預(yù)測和防治技術(shù)，保證礦井的安全回采。

1 地質(zhì)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(qū)4202工作面和下煤層4煤四采區(qū)4401工作面是該礦首個近距離聯(lián)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(guān)系數(shù)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(fēng)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(jù)礦井巖層性質(zhì)設(shè)定模型參數(shù)，建立長寬高=291mm×300mm×53mm模型，其巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型巖層力學(xué)參數(shù)表

2.2 模擬結(jié)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(yīng)力圖，如圖1所示。

圖1 上下煤層不同錯距主應(yīng)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(fēng)巷迎頭及兩幫所承受的應(yīng)力逐漸增加，巷道在高應(yīng)力的作用下變形破壞情況也趨于嚴(yán)重。當(dāng)上煤層4202工作面距下煤層4401工作面回風(fēng)巷迎頭110m時，巷道受上煤層工作面回采影響小，巷道迎頭區(qū)域承受應(yīng)力小，圍巖基本沒有發(fā)生位移變形。當(dāng)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(xiàn)應(yīng)力集中，圍巖開始出現(xiàn)位移變形，二者距離減小至80m時，應(yīng)力顯現(xiàn)明顯，圍巖變形量達到7～8mm。根據(jù)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(qū)域劃分

3.1 4401回風(fēng)巷掘進沖擊地壓危險區(qū)域

4401工作面回風(fēng)巷地質(zhì)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(qū)域，見表2。

表2 4401工作面回風(fēng)巷掘進期間沖擊地壓危險區(qū)域

表3 4202工作面回采沖擊危險區(qū)域

3.2 4202工作面回采沖擊地壓危險區(qū)域

4202工作面地質(zhì)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(qū)域，如表3所示。

4 沖擊地壓防治技術(shù)

4.1 掘進期間沖擊地壓防治技術(shù)

4401工作面回風(fēng)巷沖擊地壓采用“分段式”防治措施，分別根據(jù)不同沖擊危險區(qū)域制訂最優(yōu)的防治措施。

1）Ⅰ區(qū)域。

巷道掘進期間Ⅰ區(qū)域、Ⅱ區(qū)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(yīng)力集中。因此，通過煤層注水的方式軟化煤層，避免應(yīng)力在該區(qū)域的集中。

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

2）Ⅱ區(qū)域。

Ⅱ區(qū)域雖然已經(jīng)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(huán)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(qū)域，A2為迎頭后路爆破區(qū)域。

圖2 4401回風(fēng)巷迎頭爆破卸壓示意圖

3）Ⅲ區(qū)域。

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

Ⅲ區(qū)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(qū)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(shù)與4401工作面回風(fēng)巷Ⅲ區(qū)域鉆孔參數(shù)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(yīng)力在工作面和巷道集中。當(dāng)工作面回采至背離巷道迎頭40m位置時，恢復(fù)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(qū)域進行監(jiān)測，并對卸壓后效果進行檢驗。根據(jù)礦井已采工作面監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合2煤、4煤參數(shù)，得到4401工作面回風(fēng)巷掘進和4202工作面回采沖擊危險區(qū)域煤粉量臨界指標(biāo)，如表4所示。

表4 鉆屑法監(jiān)測沖擊地壓煤粉量指標(biāo)

4401工作面回風(fēng)巷掘進沖擊危險區(qū)域采用鉆屑法監(jiān)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(jiān)測結(jié)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(qū)域同樣采用鉆屑法監(jiān)測卸壓效果，鉆孔參數(shù)一致。監(jiān)測結(jié)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(jié) 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(fēng)巷同采合理錯距，通過主應(yīng)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(jù)礦井地質(zhì)條件，劃分了4401工作面回風(fēng)巷掘進期間和4202工作面回采期間沖擊危險區(qū)域。巷道掘進期間采用“分段式”防治措施，Ⅰ區(qū)域采用煤層注水卸壓，Ⅱ區(qū)域采用煤層注水+爆破卸壓，Ⅲ區(qū)域采用大直徑鉆孔卸壓。工作面回采期間危險區(qū)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(jié)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。