張雙樓煤礦應力集中區沖擊地壓災害防控實踐

張雷

(1.江蘇徐礦能源股份有限公司 張雙樓煤礦， 江蘇 徐州 221616；2.中國礦業大學 礦業工程學院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

由于沖擊地壓礦井開拓開采設計不合理，同時缺乏“區域先行、局部跟進、分區管理、分類防治”的治災思路[1-2]，導致在采掘強沖擊傾向性煤層過程中極易誘發沖擊地壓災害[3-5]。沖擊地壓發生時，聚積在煤巖體中的彈性能量以突然、急劇、猛烈的形式釋放，造成煤巖體振動和破壞，動力將煤巖拋向井巷，同時發出強烈聲響，造成支架與設備、井巷的破壞及人員的傷亡等[6-9]。尤其是當回采區域內煤層上方存在堅硬厚層砂巖頂板時，工作面回采過程中頂板突然破斷產生的強礦震誘發沖擊災害的概率較大，嚴重威脅礦井的安全生產。

針對堅硬頂板突然破斷誘發沖擊災害監測預警，文獻[10]通過微震監測系統獲取強礦震發生的具體位置，構建微震多維信息識別指標體系，包括優選的頻次指標和新提出的震源集中程度、最大應力和總應力當量指標。文獻[11]根據礦震事件分析礦壓顯現劇烈程度、沖擊危險程度，并根據能量、頻次等變化規律，提前預警分析沖擊災害發生的概率。上述針對沖擊災害的監測預警對沖擊地壓的防控起到了很好的預測指導作用，但針對工作面局部區域堅硬厚層頂板誘發的沖擊災害監測預警還需要精準探測研究。

深井堅硬厚層砂巖頂板是誘發沖擊地壓災害的主控因素之一。針對堅硬厚層頂板誘發沖擊地壓災害防治，文獻[12]建立了分時、分區、分級斷頂爆破防治沖擊地壓技術體系，并通過理論計算、鉆屑監測和微震監測手段檢驗斷頂爆破的效果。文獻[13-14]從堅硬頂板作用在煤體上產生的應力、能量、動載荷角度揭示了堅硬頂板誘發沖擊地壓機理及沖擊災害發生的判別準則。文獻[15]認為綜放開采特厚煤層條件下堅硬厚層砂巖極易滑移失穩，為沖擊地壓的發生提供了遠場動載荷。文獻[16]分析了綜放工作面堅硬厚層頂板誘發沖擊地壓的主控因素為高靜載應力、高能量礦震載荷和柔性支護。針對堅硬厚層頂板誘發沖擊災害的防治難題，國內外研發了爆破切頂和水壓致裂頂板技術[17]。文獻[18]探討了深孔斷頂爆破防沖機制。文獻[19]研究了防治沖擊地壓的多級爆破卸壓技術。以上研究針對堅硬頂板爆破卸壓防治沖擊地壓災害取得了豐碩成果，但現有的爆破卸壓防治措施僅針對煤層頂板，對頂板-煤體-底板三協同爆破卸壓治理研究較少，特別對堅硬厚層砂巖頂板覆層區域的沖擊災害防治研究更少。

本文以江蘇徐礦能源股份有限公司張雙樓煤礦74101綜采工作面為工程背景，分析了砂巖覆層應力異常區沖擊災害發生原因，并利用礦震震動波CT(Computerized Tomography,計算機層析成像)反演技術探測砂巖覆層區應力集中程度，進而實施精準的“頂板-煤體-底板”一體化爆破卸壓技術，優化爆破工藝參數，通過分析工作面微震能量、頻次變化規律，驗證卸壓防沖效果。本文研究成果可為與張雙樓煤礦相似生產、地質條件下工作面沖擊災害的監測防治提供參考。

1 工程概況

江蘇徐礦能源股份有限公司張雙樓煤礦74101工作面位于-1 000 m水平東翼采區，東至f30斷層，西至工業廣場保護煤柱，南臨7123采空區，北部為實體煤未采區。地面標高為+38.0～+38.5 m，煤層底板標高為-956.7～-980.5 m，工作面寬約180 m，走向長約1 336 m，工作面布置如圖1所示。74101工作面切眼附近發育f30斷層(∠55°， 斷層落差H為0～12.5 m)，工作面軌道巷靠近頂板砂巖增厚區發育f10(∠65°，H=0～4.5 m)正斷層，工作面內延展影響范圍沿走向達50 m，沿傾向達35 m。

圖1 74101工作面布置Fig.1 Layout of 74101 working face

張雙樓煤礦7煤層和砂巖覆層區堅硬頂板沖擊傾向性鑒定結果均為強沖擊傾向性，煤巖易失穩，誘發沖擊災害。74101工作面局部砂巖覆層增厚區結構如圖2所示。74101工作面主采7煤層，平均煤厚為3.5 m，近水平煤層，煤層堅固性系數為1.74，綜采放頂煤開采，垮落法管理采空區。工作面偽頂為6.2 m厚泥巖，堅固性系數為3.5；直接頂為5.1 m的厚細砂巖，堅固性系數為5.3～6.5；基本頂為中細砂巖，頂板覆層異常區域基本頂平均厚度由6.8 m增大為12.7 m，堅固性系數為7.6～8，增厚區在工作面內延伸達65 m左右；直接底為4.7 m厚泥巖，堅固性系數為3.5；基本底為24.4 m厚的細砂巖，堅固性系數為6.6～7.5。

圖2 74101工作面局部砂巖覆層增厚區結構Fig.2 Structure of the local thick sandstone overburden area on 74101 working face

2 沖擊災害概況及誘因分析

2.1 工作面沖擊災害概況

74101工作面臨近7301工作面采空區，7301工作面下伏9121工作面正在回采9煤層(與7煤層間距約為26 m)。74101工作面軌道巷曾經發生過強礦壓顯現現象，現場底鼓為1～2 m，軌道及蓋板被彈起并拋到巷道另一側，底板出現小裂縫，幫部變形不明顯。2015-05-30，74101運輸巷在綜掘機割煤掘進時曾發生“5.30”大礦震事件，能量為5.29×104J，掘進工作面上幫向后第1—5排錨桿出現大位移，第1—2排錨桿最大位移量為0.8 m，掘進工作面向后8～12 m內向巷道中間鼓出0.2 m。2010-07-30,該區域-1 200 m東一采區7煤層運輸上山在掘進過程中發生“7.30”沖擊地壓災害，礦震最大能量震級為2.7級，破壞通風設施7處，損壞刮板輸送機、帶式輸送機各1部，破壞巷道178 m，造成6人死亡。對該區域發生的3次較嚴重的沖擊災害進行總結分析，找出致災主控因素及發生原因。

2.2 沖擊災害誘因分析

2.2.1 開采布局不合理

沖擊地壓防治應堅持“區域先行、局部跟進”的原則，從采掘布局、開采設計等方面避免或降低采掘區域高應力集中現象。張雙樓煤礦3次沖擊災害發生的原因是采掘布局不合理，開采擾動劇烈，致使局部應力集中程度高，誘發沖擊災害。張雙樓煤礦采掘工作面發生沖擊地壓之前，對沖擊地壓災害認識不足，未從開采保護層、不留孤島工作面等方面提高防范意識。采掘工作面參數設計、礦壓控制等均采用淺部開采經驗與理論，尤其是終采線位置、大巷保護煤柱寬度、區段煤柱寬度等設計不合理，導致工作面開采過程中形成高應力集中區。“5.30”沖擊與“7.30”沖擊區域，巷道間的煤柱高達26.5 m，形成孤島煤柱高應力集中區，誘發沖擊災害。74101工作面軌道巷和運輸巷掘進過程中，臨近7301工作面采空區下覆9121工作面正在回采，74101工作面運輸巷掘進工作面距9121回采工作面走向距離約為230 m，最遠距離約為330 m，9121工作面綜放開采覆巖運移對74101工作面兩巷掘進擾動較大，采掘距離遠小于《煤礦安全規程》規定的最小安全距離，近距離采掘擾動，形成局部高應力集中，是導致3次沖擊災害發生的重要原因。

2.2.2 煤巖沖擊傾向性強

對張雙樓煤礦7煤層進行沖擊傾向性測定，測定結果如下：平均動態破壞時間為47 ms，沖擊能量指數為4.13，彈性能量指數為9.2；單軸抗壓強度為17.4 MPa，7煤層上覆頂板的彎曲能量指數為23.9 kJ，綜合判定7煤層具有強沖擊傾向性，7煤層上覆頂板具有弱沖擊傾向性，即7煤層及其頂板在采動應力集中條件下易發生失穩破壞，誘發沖擊地壓災害。

2.2.3 砂巖覆層區應力集中程度高

張雙樓煤礦為典型的千米深井，深井高應力集中,極易誘發沖擊災害。統計表明[3]，每開采百萬噸煤炭，沖擊地壓發生指數隨開采深度的增加明顯升高，74101工作面平均開采深度約為1 000 m，開采百萬噸煤炭其沖擊地壓發生指數為0.8，工作面可采煤炭儲量為137萬t。工作面可能發生沖擊地壓的次數為1.09次，即74101工作面采掘過程中，沖擊地壓發生的可能性接近100%。

煤體在應力異常區內沖擊失穩主要有近場靜載應力為主的沖擊和遠場動載震動為輔的沖擊2種，如圖3所示。靜載應力沖擊是由于煤體受力超過了其最大承載能力而發生的突然失穩，而動載震動沖擊則是由于煤體上方存在厚層和堅硬的巖層，其破斷時產生強烈動載，震動波傳播到達煤體時，促使煤體內的應力急劇增加，產生猛烈的沖擊破壞。

圖3 煤體沖擊破壞Fig.3 The schematic diagram of coal rock burst

“7.30”沖擊災害事故地點、74101軌道巷強礦壓發生區域、“5.30”運輸巷掘進頭沖擊位置均位于74101工作面的頂板砂巖增厚區域，同時74101工作面軌道巷靠近頂板砂巖增厚區發育f10斷層，7煤層底板發育堅硬厚層細砂巖，3次沖擊災害發生地點位于頂板、煤層、底板“三硬”區域。頂板砂巖覆層異常、斷層地質構造、底板堅硬細砂巖等地質條件造成局部高應力集中，誘發了3次沖擊災害。

3 震動波CT反演監測預警技術

利用74101工作面回采過程中的礦震事件，進行CT技術反演，精準探測砂巖覆層增厚區域的高應力集中分布區。沖擊地壓預測預報的基礎是確定煤層中的應力狀態和應力集中程度。由張雙樓煤礦煤巖物理力學性質試驗與煤巖樣應力對應關系可知，其異常值A為

(1)

采動應力場大小及其動態遷移可以通過震動波波速的大小來反映。應力高且集中程度大的區域，相對其他區域將出現縱波波速的高值異常，即縱波波速越高的區域，應力越高，應力集中程度越大。CT反演探測結果如圖4所示，砂巖覆層增厚高應力集中區：運輸巷側沿巷道75 m，延伸工作面60 m橢圓形區域；軌道巷側沿巷道60 m，延伸工作面80 m橢圓形區域。探測到的高應力異常集中區域在掘進過程中已發生2次沖擊災害，說明反演結果可靠。

圖4 震動波CT探測應力異常區分布Fig.4 Distribution of abnormal stress area detected by shock wave CT

4 沖擊地壓災害防治實踐

針對劃分的74101工作面砂巖覆層增厚高應力集中區，研究精準的防治解危措施及工藝技術參數，卸荷降沖，實現安全回采。針對張雙樓煤礦7煤層砂巖覆層異常區域采取“頂板-煤體-底板”一體化爆破卸壓技術，該技術包括砂巖覆層區異常區沿工作面傾向斷頂爆破、臨空側煤柱走向斷頂爆破、工作面內斷頂爆破、臨空側煤體爆破、實體煤側煤體爆破、沿工作面傾向斷底爆破、臨空側走向斷底爆破，形成分時分區分級的“頂板-煤體-底板”三協同爆破防治沖擊地壓技術體系。

4.1 “頂板-煤體-底板”一體化爆破卸壓技術

4.1.1 深孔爆破切頂技術

在74101工作面軌道巷和運輸巷接近應力集中異常區域100 m范圍內實施爆破切頂解危措施。在運輸巷布置1號鉆孔，孔徑為90 mm，爆破切割工作面內部的厚層砂巖頂板。在軌道巷布置扇形鉆孔4個，孔徑為90 mm，其中2號、3號鉆孔孔底間距為10 m，5號孔與4號孔間距為20 m，解決了采空區側向形成的弧形三角板動載荷來源區的懸頂問題。每組設置1—5號鉆孔，間隔20 m施工一組鉆孔，對工作面沿走向100 m范圍內爆破切頂，爆破孔布置如圖5所示。爆破切頂鉆孔設計參數見表1。

圖5 74101工作面扇形爆破孔剖面圖Fig.5 Sectional view of fan-shaped blast hole on 74101 working face

表1 頂板爆破鉆孔設計參數Table 1 Design parameters of roof blast hole

4.1.2 煤體爆破卸壓技術

74101工作面回采過砂巖覆層異常區域，對煤體采取短孔卸壓爆破技術。爆破參數：孔徑為42 mm，孔深為10 m，裝藥長度為5 m，封孔長度為5 m，爆破孔間距為5 m，爆破鉆孔布置如圖6所示。

圖6 煤體卸壓爆破孔布置Fig.6 Layout of coal pressure relief blasting borehole

4.1.3 底板爆破卸壓

74101工作面底板覆層堅硬厚層細砂巖，工作面回采通過頂板砂巖覆層異常區域時，極易產生大量彈性能，誘發沖擊災害。底板爆破鉆孔布置在巷道兩幫距底板0.1～0.3 m處，按60～70°俯角施工，鉆孔深度為10 m，鉆孔間距為5 m，每孔裝藥2 kg，封滿炮泥，每次起爆鉆孔數量為5個，躲炮距離大于300 m。

4.2 治理效果評價

74101工作面煤體和頂底板爆破卸壓后，工作面回采通過砂巖覆層異常區過程中，工作面軌道巷圍巖變形得到有效控制，如圖7所示，未出現巷道底板大面積底鼓影響安全生產現象。

(a) 爆破切頂前

卸壓爆破前后礦震日累計能量、頻次如圖8所示。從圖8可看出， 74101工作面砂巖覆層異常區域采取煤體及頂底板卸壓爆破前，強礦壓顯現強烈，日累計最大能量高達1.57×104J，日累計頻次高達62次，高能量礦震發生次數多。采取針對性爆破卸壓防治措施后，礦壓顯現緩和，日累計最大能量均在104J以下，且日累計頻次均在30次以下，消除了高應力集中現象，卸壓效果明顯。

圖8 卸壓爆破前后礦震日累計能量、頻次對比Fig.8 Comparison of daily accumulative energy and vibration frequency of rock bursts before and after pressure relief blasting

爆破卸壓后工作面回采期間礦震分布如圖9所示。74101工作面回采通過砂巖覆層應力集中區過程中，采取“頂板-煤體-底板”爆破卸壓前單次釋放能量大于104J的礦震(圖中紅色圓點)主要位于工作面靠近砂巖覆層異常區域一側。采取爆破卸壓措施后，工作面通過砂巖覆層異常區域過程中，沒有出現高能量礦震，能量均小于104J，且礦震分布均勻，表明對煤體及頂底板采取爆破卸壓措施后，煤巖體彈性能有序釋放，礦震活動呈現低能量、低頻次的特征，沖擊危險性顯著降低。

圖9 爆破卸壓后工作面回采期間礦震分布Fig.9 Distribution of rock bursts on working face after pressure relief blasting

5 結論

(1) 張雙樓煤礦74101工作面周邊開采布局不合理、煤巖沖擊傾向性強、砂巖覆層區應力集中程度高、防沖監測預警臨界值界定不清是誘發3次沖擊災害的主控因素。

(2) 采用礦震震動波CT反演技術獲取了74101工作面砂巖覆層區沖擊危險性，揭示了煤巖體突然失穩破壞誘發沖擊災害的原因。

(3) 針對74101工作面砂巖覆層區采取“頂板-煤體-底板”卸壓爆破技術措施后，其礦震日累計能量由1.57×104J降低至104J以下，震動頻次由60次降低至30次以下，煤巖體彈性能有序釋放，礦震活動呈現低能量、低頻次的特征，應力異常區域沖擊危險性顯著降低。