礦山地壓災害安全處理現狀和分析

周三好

（平頂山天安煤業股份有限公司五礦，河南 平頂山 467000）

一、工程概述

A 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1 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1 74101 工作面局部砂巖覆層增厚區結構

二、礦山地壓災害的原因分析

（一）開采布局不合理

A 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。

（二）煤巖沖擊傾向性強

對A 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。

（三）砂巖覆層區應力集中程度高

A 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，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1000 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2 所示。

圖2 煤體沖擊破壞

三、沖擊地壓災害防治

（一）“頂板－煤體－底板”一體化爆破卸壓技術

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3 所示。

圖3 74101 工作面扇形爆破孔剖面圖

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。

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。

（二）治理效果評價

從圖4 可看出，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4 卸壓爆破前后礦震日累計能量、頻次對比

四、結論

（一）A 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。（二）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。（三）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。