利用卸壓鉆孔誘發能量判別沖擊危險類別的技術與實踐

白俊杰

（中煤西北能源公司烏審旗蒙大礦業，內蒙古 鄂爾多斯 017300）

煤礦沖擊地壓作為一種地質災害，且地質構造作為一種極其復雜的沖擊要素[1].在采掘擾動前對沖擊隱患受力、類型進行辨識，提前采取針對性的防沖部署，顯然是對沖擊地壓災害形成有效治理的一種必要手段[2]。納林河二號礦井在盤區三維地震（含電法）勘探確定了31103 工作面3DHF1 地質異常體基本位置和形態，后續生產中經巷道揭露、多次鉆孔探測，證實該異常體為組合斷層群，但31103工作面回撤通道區域是否受該地質異常體的構造影響問題仍不清楚。為了查清回撤通道是否受地質異常體構造影響，通過對特厚煤層卸壓鉆孔誘發煤體破裂而產生的能量事件進行統計、分析，發現在特厚煤層中部施工的卸壓鉆孔所誘發的能量事件均位于鉆孔至煤層頂板范圍，為典型的頂板壓力模型，因此回撤通道不受3DHF1 地質異常體構造的影響。據此判定：無需對地質異常體進行爆破處理，避免了防沖爆破卸壓工程的盲目施工，為今后類似條件下沖擊隱患類型辨識提供了新的途徑。

1 概述

1.1 礦井及工作面概況

納林河二號礦井位于鄂爾多斯聚煤盆地內部，毗鄰陜北斜坡的隆起帶，井田地質動力環境為中等。礦井設計生產能力8.00 Mt/a，礦井采用深立井開拓、分盤區布置，現主水平位于3-1 煤層，埋深550 m左右，31103 工作面長241 m，可采走向長度1787 m，煤層厚度5.5 m，為近水平煤層。經鑒定，3-1 煤頂板和煤層為強沖擊傾向性，底板為弱沖擊傾向性，沖擊危險評價等級為中等。31103-1 工作面末采期間受地質構造異常體和31102 采空區側向支撐壓力、本工作面采動應力、T 型交叉巷道和煤柱高應力集中等多種因素的影響。

1.2 地質異常體基本狀況

根據《3DHF1 地質異常體探查成果報告》顯示：初步判斷3DHF1 地質異常體為多條組合斷層群，平面呈圓形分布，落差20～25 m，該地質構造預測長度397 m。地質異常體東側邊界為一正斷層（3DHF1：230 ∠31°，H=4 m），輔回撤通道膠運側距離地質異常體的垂直距離為64 m，輔回撤通道風門處距離地質異常體146 m，如圖1。

1.3 末采防沖關鍵問題—力源類別的確定

根據以往國內外沖擊地壓防治經驗分析[3]，地質構造對沖擊地壓防治的影響最復雜，災害程度最嚴重。經多次探測、分析、論證，3DHF1 地質異常體形成原因及影響范圍仍存在不確定性，3DHF1 地質異常體東側邊緣是否延伸或尖滅范圍至31103-1輔回撤通道附近區域，輔回撤通道在末采階段是否會受到構造應力和本工作面采動應力等多因素疊加的影響，可能造成31103-1 工作面末采直至回采貫通階段的沖擊地壓防治問題極為復雜[4]。

為了確保31103-1 工作面末采安全順利貫通，需提前對輔回撤通道是否處于3DHF1 地質異常體影響范圍和31103-1 輔回撤通道附近區域煤層受力進行判別，為后期防沖工程（頂板松動爆破和斷底爆破[5]）實施的必要性提供有力指導。

2 分析思路

根據地質構造、斷裂基本理論，結合目前3DHF1 地質異常體的探測結果分析，3DHF1 地質異常體東側邊緣為一正斷層（落差4 m，傾角31°）。根據地質構造斷裂理論，斷層錯動過程中，兩側煤層受到牽引，煤層產生彎曲變形。根據影響范圍將斷裂面兩側附近區域劃分為構造影響區和不受構造影響區，如圖2。

圖2 斷層牽引附近煤層彎曲、變形示意圖

鑒于上述分析結果，根據31103-1 工作面回撤通道區域是否受地質異常體影響，按煤層受到牽引后，產生彎曲和變形的思路，形成構造應力型模型、底板凸起型模型和頂板壓力型模型。圖3 中三個模型中，均假設水平側受到固定約束。三種模型詳述如下。

圖3（a）為受構造應力影響的模型，煤層頂板和底板同處于斷層斷裂、褶曲等地質構造影響范圍，該處煤層頂板和底板同時受到向上、向下的擠壓應力；

圖3（b）中煤層底板受到垂直向上的擠壓力，造成煤層底板擠出、鼓起，也是構造應力模型的一種；

圖3（c）為典型的頂板集中壓力的模型，煤層頂板受較大的、垂直向下的壓力，同時左右兩側及底板受四周煤巖體固定約束。

圖2 中“巷道位置一”對應于圖3（a）中構造應力型模型和（b）底板凸起型模型，“巷道位置二”對應于圖3 中（c）頂板壓力型模型。

圖3 特厚煤層中三種典型的鉆孔誘發煤層破裂模型

3 大直徑卸壓鉆孔施工誘發能量事件

3.1 分析對比原則

（1）選取煤體卸壓鉆孔施工對應區域的微震能量事件。

（2）從時間和空間上，最大限度避開本工作面回采擾動應力影響。

3.2 選擇結果

（1）時間選擇：2020 年5 月20 日—5 月23日期間（4 天），工作面未生產，停產后兩天選取數據（5 月22 日中班—5 月23 日夜班）；

（2）截至2020 年5 月20 日，工作面剩余可采走向長度333 m，距離微震事件分布區域387.2 m；

（3）31103-1 輔回撤通道西側（地質異常體側）20 m 范圍。

3.3 誘發能量事件分布規律

通過在31103-1 輔回撤通道回風側地質異常體區域施工大直徑卸壓鉆孔（表1 所列），并對煤體破裂誘發的能量事件進行統計（表2 所列），大直徑鉆孔誘發附近煤體破裂（能量事件的釋放）有以下特點：

（1）鉆孔誘發能量事件介于4.0×102J 至2.3×103J，單個事件平均能量1 228.74 J；

（2）大直徑卸壓鉆孔誘發能量的總頻次中，二次方和三次方事件各占比50%；

（3）煤體大直徑卸壓鉆孔誘發能量事件均分布于鉆孔至煤層頂板的高度范圍，如圖4；編號1#～9#和11#微震事件為煤體大直徑卸壓鉆孔鉆進過程中，附近煤體出現破裂、能量釋放；

（4）初步分析，10#和12#微震事件為煤體大范圍卸壓引起上覆巖層位移、破裂，頂板卸荷能量事件發生于煤層上方7～9.5 m 高度范圍，對應上覆巖層7.7 m 厚粉砂巖和4.4 m 厚度砂質泥巖。

表1 大直徑鉆孔施工統計表

圖4 鉆孔誘發能量事件垂直分布

4 工程實踐檢驗

根據以上分析、判斷，輔回撤通道區域受力為頂板壓力型模型，初步排除地質異常體構造應力因素的影響，輔回撤通道布置位置不在3DHF1 地質構造異常體東側邊緣影響范圍。在明確了末采階段回撤通道區域的沖擊危險類別后，沒有必要對地質異常體附近區域采取頂板爆破，避免了防沖爆破工程的盲目施工。對31103-1 輔回撤通道施工頂板高壓水力預裂、幫部卸壓鉆孔和“單體+π 梁”、單元支架、組合錨索等支護措施，31103-1 工作面進入末采后實現了安全順利回采貫通。

表2 大直徑鉆孔誘發能量事件統計表（KJ551 微震監測系統）

5 結論

（1）在類似的地質構造復雜區域特厚煤層條件下，通過對煤體大直徑卸壓鉆孔的誘發能量進行分析，可作為一種新的沖擊隱患類型排查手段，有效指導后續防沖工程的實施。

（2）大直徑卸壓鉆孔誘發能量最大能達到103級別，在松軟破碎煤層施工時，需做好近距離誘發能量造成的頂板事故。