烏東煤礦近直立煤層不同卸壓方案效果對比研究

常 博，王 建，李 康，閆瑞兵

(神華新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830084)

煤礦沖擊地壓災害是井下采掘空間周圍煤巖體急劇破壞，并突然釋放大量能量的一種強烈動力現象，可嚴重損毀井巷及設備，造成人員傷亡，是我國煤礦最為嚴重的動力災害之一[1]。此外，沖擊地壓還可能誘發瓦斯異常涌出、瓦斯爆炸等重特大災害。沖擊地壓現象的本質是高應力狀態作用下煤巖體的突然失穩破壞[2]。因此，采取有效措施避免應力集中是沖擊地壓防治的關鍵。卸壓爆破是較為常見的降低煤層應力的方法。卸壓爆破是通過震動破壞對煤巖體結構進行改造，重新形成以爆炸點為中心順次向外的破碎區、裂隙區、彈性區，導致圍巖深部應力重新分布，產生大范圍應力降低區，促使應力較為集中的彈性區轉移到圍巖深處，從而使圍巖應力場得到改善[3]。

王猛等[4]對鉆孔卸壓機理進行了研究，并提出了卸壓效果的評價方法。張恒等[5]利用數值模擬方法對深部巷道爆破卸壓進行了研究，通過計算對比得出了合理炮孔深度。劉少虹等[6]對卸壓爆破下強沖擊危險巷道圍巖震動規律進行了試驗分析，并提出在進行卸壓爆破設計時，通過控制卸壓爆破震動的幅值、頻率和持續時間3個指標，找到卸壓效果與圍巖損傷的平衡點。高永格等[7]研究了鉆孔孔徑及布置方式對煤巷卸壓效果的影響，發現在相同地質條件下適當增大鉆孔直徑可以提高卸壓效果。孫東飛等[8]研究發現，大直徑鉆孔卸壓，鉆孔越深卸壓效果越明顯。此外，鉆孔布置也對卸壓效果影響較大。對于急傾斜煤層沖擊地壓防治，也有學者進行了研究并取得了一些成果[9-15]。由于其發生機理的復雜性，目前的研究仍有待進一步深入。烏東煤礦煤層傾角達到87°，是較為典型的急傾斜煤層。采用傳統的卸壓方法雖然也能達到一定的卸壓目的，但卸壓效果難以達到預期。為此，本文從卸壓方式著手，對三種不同卸壓方案的卸壓效果和經濟效果進行對比，以期找到適合近直立煤層較為理想的卸壓方法，研究結果對急傾斜煤層沖擊地壓的有效防治具有一定的指導意義。

1 工作面概況

烏東煤礦南區煤層賦存條件為近直立特厚煤層，其沖擊地壓致災機理存在一定獨特性。隨著采深增加，兩組煤層間巖層形成高聳巖柱，巖柱在受到水平構造應力和自重應力影響下，下側與回采煤層相交部位產生傾斜撬動效應，在采動擾動下，巖體聚集彈性能通過煤體釋放，發生不同程度的沖擊地壓現象。烏東煤礦現回采+450m水平B3+6煤層，采深約350m，走向長度為2520m，終采線位置為272m，B3+6工作面超前B1+2工作面開采。B3+6工作面北部為頂板，南部為中間巖柱及B1+2工作面，下部為下分段水平，上部為上分段采空區，工作面開采布置如圖1所示。工作面采用水平分段綜采放頂煤采煤方法，分段高度為25m，其中割煤厚度為3m，放煤高度為22m，采放比為1∶7.2。工作面回采后地表用黃土進行填充。回采至2025m、1852m、1565m位置時先后發生3次礦壓顯現。

2 區段治理工程

烏東煤礦+450水平B3+6綜放面于6月16日恢復生產，工作面走向位置1542m，截止8月3日，走向位置1375m，累計回采167m。深層爆破孔施工情況為：B3巷施工至1310m，裝藥至1430m，爆破至1450m；B6巷頂板施工至1260m，裝藥至1450m，爆破至1470m，深層爆破孔排距為10m/排。淺層爆破孔施工情況為：排距為40m/排，在淺層爆破孔在調整過程中，由于受超前支架與轉載機影響，現場無鉆機施工空間，B3巷淺層爆破孔從1515m開始補孔，B6巷淺層爆破孔自1475m開始補孔。為此，+450水平B3+6綜放面經歷3個不同區段治理工程。

2.1 “深孔為主、淺孔為輔”布置方式

淺層爆破孔排距均為40m/排，深層巖體爆破孔排距為10m/排，施工區域1485～1542m。“深孔為主、淺孔為輔”爆破孔布置施工區域如圖2所示。淺層巖體爆破孔布置如圖3所示，其參數見表1。深層爆破孔布置如圖4所示，其參數見表2。

圖2 “深孔為主、淺孔為輔”爆破孔布置施工區域

圖3 淺層巖體爆破孔布置方式

2.2 深淺孔交替布置方式

深層巖體爆破孔和淺層爆破孔排距均為10m/排，鉆孔施工參數見表1、表2，施工區域1430～1485m，深淺巖體爆破孔交替布置施工區域如圖5所示。

表1 淺層巖體爆破孔施工參數

圖4 深層巖體爆破孔布置方式(m)

表2 深層巖體爆破孔施工參數

圖5 深淺巖體爆破孔交替布置施工區域

2.3 “淺孔為主、深孔為輔”布置方式

深層巖體爆破孔排距為30m/排，淺層巖體爆破孔排距為10m/排，爆破孔超前綜放面30～90m爆破，“淺孔為主、深孔為輔”爆破孔布置施工區域如圖6所示。

圖6 “淺孔為主、深孔為輔”爆破孔布置施工區域

3 效果分析

不同區段的治理的措施卸壓效果主要通過微震數據進行分析。考慮到低能微震事件對整體分析研究的干擾，本次微震數據選擇102J及以上能級數據，時間為2017年6月1日至8月2日。其中：6月1日—6月16日，工作面停止生產；6月16日—6月26日，工作面采用“深孔為主、淺孔為輔”治理措施；6月26日—7月25日，工作面采用深淺孔交替治理措施；7月25日—8月2日，工作面采用“淺孔為主、深孔為輔”治理措施。

3.1 微震事件統計分析

從沖擊地壓2個主要致災因素(地質因素、開采因素)來看，由于3個區段工程處于同一水平，且實施區域相鄰，基本處于連續狀態，地質因素可似為相同；綜放面推進度基本保持4m/日(5刀/日)推進度，回采率波動相對較小，開采強度基本保持穩定狀態。因此，通過日均能量和日頻次和每米平均能量和頻次進行對比分析，具體為：

1)微震監測日能量和日頻次進行對比分析如圖7所示。由圖7可以發現：后2階段治理工程與前1階段工程相比，微震監測能量和頻次都有所下降，日監測能量分別下降了47.2%和7.2%，日頻次下降39.4%和24.3%。

圖7 不同區段工程日均微震能量和頻次和對比

圖8 不同區段工程每米微震能量和頻次和對比

2)每米平均能量和頻次對比分析如圖8所示。結果表明，后2階段治理工程與前1階段工程相比，微震監測能量和頻次都有所下降，每米監測能量分別下降了58.5%和33.8%，頻次下降49.5%和55%。

3.2 微震事件—時間變化規律分析

不同區段治理工程微震頻次和能量曲線如圖9所示，從不同區段內微震事件的時間規律進行分析可知，不同階段治理措施實施后，工作面附近微震事件頻次和能量呈現明顯降低趨勢，特別是在新老治理措施過渡階段降低最為明顯。2017年6月26日，淺層巖體爆破孔進行加密，微震頻次和能量降低，且呈現平穩但略微加快的趨勢，表明與以深層體孔為主相比，深淺孔交替布置和淺層巖體孔為主階段解壓工程對降低工作面應力更有效，其中深淺孔交替布置階段降壓更加明顯。

圖9 不同區段治理工程微震頻次和能量曲線

3.3 微震事件—空間變化規律分析

為了解不同區段措施實施后應力的時空分布特征，特對工作面附近區域微震事件的空間布局按照B3底板、B3+6煤層和B6頂板三個區域進行劃分，通過對比分析3個區段內微震事件的百分比變化來掌握工作面附近應力分布的空間分布特征，具體見表3。通過分析可以看出，淺層巖體為主爆破孔實施后，工作面附近微震事件的空間分布比例基本上沒有太大的變化，事件基本集中分布在B3底板側和B3+6煤層中，表明與深層孔為主相比，未造成工作面應力空間分布的重新排布。但整體來說，淺層巖體為主爆破孔實施后，B3底板側應力呈現降低、B3+6煤層和B6頂板側應力呈現增加的態勢。

4 經濟效益

上述研究結果表明，深淺孔交替布置方式爆破卸壓效果最優，“淺孔為主、深孔為輔”布置方式次之，“深孔為主、淺孔為輔”布置方式最差。通過對深淺孔交替、“淺孔為主、深孔為輔”、“深孔為主、淺孔為輔”三種卸壓工程的成本進行統計分析，得出每米的爆破成本分別為1064元、28336元、7264元。卸壓效果越優，成本越高。因此，綜合考慮經濟效益和生產安全，不同卸壓工程應根據區域危險性有選擇的實施。在地質條件相對復雜，危險性高的區域采用深淺孔交替布置方式爆破卸壓，相對安全區域采用深孔為主淺孔為輔布置方式。以確保在安全生產的前提下，提高企業經濟效益。

表3 不同區段微震頻次和能量按空間分布統計表

5 結 論

1)通過日均能量、頻次和每米能量、頻次對3個不同區段治理工程進行了分析，淺層巖體爆破孔加密后，均能量和頻次明顯下降，工作面附近區域應力集中降低，卸壓效果提升。

2)從不同區段內微震事件的時間規律進行分析，與以深層體孔為主相比，深淺孔交替布置和淺層巖體孔為主階段卸壓工程對降低工作面應力更有效，其中深淺孔交替布置區域降壓更加明顯。

3)從不同區段內微震事件空間變化規律來看，不同區段治理措施在微震事件的空間分布未出現明顯變化，事件仍然集中分布在B3底板和B3+6煤層中，采用淺層巖體為主措施后B6頂板和B3+6煤層中微震事件的比重有增加態勢。

4)通過對3個不同區段的治理工程效果分析發現：深淺孔交替布置方式最好，其次為淺孔為主深孔為輔布置方式，最后為深孔為主淺孔為輔布置方式。以上三種布置方式每米的爆破成本分別為：1064元、28336元、7264元。綜合考慮經濟效益和生產安全，卸壓工程布置方式應根據不同區段危險程度有選擇性的實施。