基于多因素耦合分析的沖擊地壓卸壓技術(shù)研究

李乃錄 屈振祖 張恒

（1.山東能源新汶礦業(yè)集團有限責任公司，山東 新泰 271200；2.彬縣水簾洞煤炭有限責任公司，陜西 彬州 713500；3.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產(chǎn)重點實驗室，湖南 湘潭 411201）

沖擊地壓是長期困擾我國諸多礦區(qū)煤礦安全高效生產(chǎn)的重要源頭因素，防治壓力較大[1-2]。研究顯示：沖擊地壓的誘發(fā)因素較多，主要地質(zhì)因素包括煤的抗壓強度、堅硬厚層頂板巖層及煤層的沖擊傾向性等，主要開采技術(shù)因素包括煤柱、采空區(qū)面積、工作面面長、復采程度等[1-3]。本次研究的對象是彬縣水簾洞煤炭有限公司ZF2803 工作面，其危險狀態(tài)等級評定為中等沖擊地壓危險，因此必須開展相關(guān)的評價研究，并預先實施專門的卸壓措施確保安全回采。因本工作面涉及的影響因素多，所以采用具備直觀、高效且涵蓋要素較全等優(yōu)勢的多因素耦合法[4-5]進行沖擊地壓危險區(qū)劃分，并基于分析結(jié)果制定防治措施。

1 試驗面采礦地質(zhì)條件

ZF2803 工作面走向長度510.0 m，傾斜長度82.0 m，煤厚9.9 m，埋深314.5 m。工作面位于水簾洞煤礦ZF2801工作面（西側(cè)）和ZF2802工作面（東側(cè)）采空區(qū)之間，與二者間區(qū)段煤柱寬度為6.0 m，北側(cè)為下溝煤礦的ZF301 工作面采空區(qū)，煤柱寬度為70.0 m，通風方式為一進一回，兩巷掘進期間留設(shè)1.5 m 厚的底煤。工作面直接頂為泥巖/砂質(zhì)泥巖，厚度6.2 m；基本頂為中細粒砂巖，厚度18.3 m；直接底為砂質(zhì)泥巖/鋁土質(zhì)泥巖，厚度3.3 m；基本底為粉砂巖，厚度17.6 m。

2 多因素耦合分析及危險等級劃分

2.1 多因素耦合分析流程

針對ZF2803 工作面回采期間沖擊地壓風險，除共同受某些因素影響以外，還受初次來壓、見方、煤柱、斷層、鄰近采空區(qū)支承壓力、煤層厚度變化及巷道底煤等7 個因素影響，單個因素之間存在交叉影響，因此可采用多因素耦合方法，具體流程：（1）通過排查影響因素，并根據(jù)單一因素確定相應的影響區(qū)；（2）將各個因素影響區(qū)疊加至一張圖上；（3）根據(jù)同一區(qū)域的影響因素個數(shù)確定相應區(qū)域的沖擊地壓危險程度。

2.2 單因素影響分析

（1）因素1：初次來壓

根據(jù)礦井已有推采經(jīng)驗，ZF2803 初次來壓步距為37.0 m，超前影響距離約為40.0 m。據(jù)此能夠確定初次來壓影響區(qū)。

（2）因素2：見方

工作面推進82.0 m 時，采空區(qū)將形成次見方；推進至226.0 m 時，形成雙工作面見方；推進至360.0 m 時，將形成三工作面見方。每次見方的影響范圍約80.0 m，據(jù)此可確定見方影響區(qū)。

（3）因素3：斷層

停采線外側(cè)存在一條落差3.5 m 的斷層和一條落差14.6 m 的斷層。斷層與運輸順槽、回風大巷、運煤大巷等巷道形成煤柱。工作面運輸順槽外段、回風大巷、聯(lián)絡(luò)巷等受斷層及斷層煤柱影響。據(jù)此可確定見斷層影響區(qū)。

（4）因素4：煤層厚度變化

煤層厚度變化區(qū)域存在相變應力異常。工作面推采至相變應力異常區(qū)時易發(fā)生沖擊地壓。根據(jù)對ZF2803 工作面周圍鉆孔的統(tǒng)計分析及煤層底板等高線變化，據(jù)此可確定煤層厚度變化影響區(qū)。

（5）因素5：鄰近采空區(qū)支承壓力

ZF2803 采空區(qū)支承壓力影響范圍約為66.0 m，低應力區(qū)寬度約為11.0 m，因此ZF2803 運輸順槽及回風順槽處于低應力區(qū)。由于區(qū)段煤柱寬度為6.0 m，順槽寬度為5.0 m，實體幫的保護帶寬度為0 m，因此，ZF2803 工作面兩巷實體幫受鄰近采空區(qū)支承壓力影響，再受到本工作面回采超前支承壓力影響，易發(fā)生沖擊。據(jù)此可確定鄰近采空區(qū)支承壓力影響區(qū)。

（6）因素6：煤柱

推采至停采線位置后，本工作面與回風大巷之間形成孤立煤柱。另外，聯(lián)絡(luò)巷與運輸順槽、膠帶輸送機大巷之間形成三角煤柱，本工作面推采至停采線時，煤柱將產(chǎn)生應力集中。據(jù)此可確定煤柱影響區(qū)。

（7）因素7：巷道底煤

在水平應力作用下底煤發(fā)生屈曲破壞，當屈曲破壞規(guī)模較大時，發(fā)生第一次底煤沖擊，隨后底煤在水平應力和垂直應力共同作用下發(fā)生塑性滑移，當滑移范圍達到底煤結(jié)構(gòu)失穩(wěn)規(guī)模時，即發(fā)生底煤第二次沖擊。由于ZF2803 工作面煤層底板為泥巖，巷道內(nèi)留厚度為1.5 m 的底煤。據(jù)此可確定巷道底煤影響區(qū)。

各因素的單獨影響區(qū)如下圖1 中的1、2、3、4、5、6、7 標識區(qū)域所示。

圖1 各因素單獨作用范圍區(qū)域劃定

2.3 多因素疊加及危險區(qū)劃分

基于以上對沖擊地壓危險性的多因素單獨評價，對各因素的危險區(qū)域位置進行疊加，同時考慮到工作面埋深小和巷道底煤必須處理，所以疊加時不考慮底煤影響。將該區(qū)域劃分為弱、中等和強沖擊地壓危險區(qū)三類，由于涉及巷道全部存在單一或多個影響因素區(qū)域覆蓋，因此不存在弱沖擊危險區(qū)。根據(jù)疊加因素的數(shù)量將ZF2803 工作面區(qū)域內(nèi)劃分7個沖擊地壓危險區(qū)：中等沖擊地壓危險區(qū)4 個，強沖擊地壓危險區(qū)3 個。影響因素疊加效果如圖2 所示，危險區(qū)域分布及具體信息見表1。

圖2 多因素耦合疊加平面圖

表1 ZF2803 工作面回采期間沖擊地壓危險區(qū)位置

3 預卸壓措施及應用效果

3.1 煤層大直徑鉆孔卸壓

對于兩順槽中等沖擊地壓危險區(qū)，在巷道實體幫施工單排垂直于巷幫的大直徑鉆孔，孔徑為133.0 mm，距離巷道底板0.5～1.5 m，孔間距為2.0 m，超前工作面200.0 m 外完成施工。考慮工作面已經(jīng)按間距2.5～3.0 m 施工了直徑為113.0 mm 的瓦斯抽放鉆孔，瓦斯抽放鉆孔基本穿透煤層，卸壓鉆孔布置如下：

（1）距切眼0～70.0 m 范圍，卸壓鉆孔由回風順槽施工，孔深75.0 m，間距2.0 m，施工范圍為距切眼10.0～70.0 m，共60.0 m，施工30 個鉆孔。

（2）距切眼70.0 m 至停采線位置，卸壓鉆孔由兩順槽施工，孔深25.0 m，間距2.0 m。

（3）停采線外側(cè)的沖擊危險區(qū)域，卸壓鉆孔分別由回風順槽聯(lián)絡(luò)巷、回風順槽外段施工，其中在回風順槽外段內(nèi)垂直實體幫煤壁施工卸壓鉆孔，孔深72.0 m，間距1.0 m；在回風順槽聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)向兩幫施工，垂直巷道煤壁，間距1.0 m，確保卸壓鉆孔終孔位置分別落在設(shè)計停采線上、運輸順槽實體幫、回風順槽實體幫、回風大巷幫部。

3.2 底板大直徑鉆孔卸壓

ZF2803 兩順槽掘進時留有1.5 m 厚底煤，綜合考慮卸壓效果、防止底板泥巖底鼓和現(xiàn)場操作方便等情況，鉆孔深度以施工至距煤層底板0.5 m 為止。回風順槽內(nèi)的孔徑為133 mm，一排兩孔，排距2.0 m，鉆孔由巷幫偏15°～20°向底板方向施工。運輸順槽鉆孔參數(shù)與回風順槽相同，由于已安裝皮帶，外幫側(cè)不具備施工條件，將外側(cè)底板卸壓鉆孔移到巷道中線處，按傾角20°施工，鉆孔長度為3 m。

4 工業(yè)應用效果實測

采用KJ551 微震系統(tǒng)進行ZF2803 工作面回采全過程監(jiān)測，工作面自2020 年10 月開始后處于平穩(wěn)運行狀態(tài)，期間監(jiān)測到微震事件22 309 個，總能量值為8 539.88 kJ。單個事件最大、最小能量分別為6 046.47 J、16.33 J，平均值為3 828.00 J，預設(shè)報警值為50 000.00 J；日最大、最小釋放能量分別為11 537.36 J、6 123.85 J，平均為75 137.19 J，預設(shè)報警值為132 000.00 J。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示工作面沖擊礦壓參數(shù)處于安全區(qū)間范圍內(nèi)，實施的預卸壓措施有效提高安全系數(shù)。

5 結(jié)論

（1）通過多因素耦合法分析了ZF2803 工作面回采期間誘發(fā)沖擊地壓的主要地質(zhì)和開采因素及其影響范圍，評價了各區(qū)域的沖擊危險程度，共劃分7 個危險區(qū)：中等沖擊地壓危險區(qū)4 個，強沖擊地壓危險區(qū)3 個。

（2）基于ZF2803 工作面回采期間沖擊地壓多因素耦合分析情況，給出了針對性的煤層及底板預卸壓大鉆孔的布置及其具體參數(shù)，并進行了工業(yè)性應用，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了預卸壓措施的有效性。