煤礦井下邊角煤柱不規則回采沖擊地壓防治探索

肖自義，陳建文，左常清，李 勇

(1.山東煤礦安全監察局魯西監察分局，山東省濟寧市，273500；2.汶上義橋煤礦有限責任公司，山東省濟寧市，272500；3.濟寧礦業集團，山東省濟寧市，273500)

1 義橋煤礦4310工作面概況

義橋煤礦4310工作面為四采區不規則工作面。4310工作面北面為原4308工作面軌道巷，4310工作面軌道巷距離4308采空區最近處為30 m，東側為四采區軌道巷，西側為FY19斷層和規劃中的4312工作面。工作面布置較不規則，工作面面長54～96 m，先增大后縮小。4310工作面布置如圖1所示。

圖1 4310工作面布置

4310工作面主采早二疊系山西組3號煤層，煤層厚度為3.30～3.70 m，平均厚度為3.50 m，煤層傾角12°～19°，平均傾角15°，普氏硬度系數為1.48，屬結構簡單煤層。工作面頂板以砂巖為主，其中直接頂為平均厚度3.5 m的細砂巖，基本頂為厚度6 m左右的細砂巖與粉砂巖。經鑒定，3號煤層具有弱沖擊傾向性，3號煤層頂板具有強沖擊傾向性。4310工作面地質構造復雜程度中等，為一單斜構造，由于受斷層FY19影響，煤層傾角局部變大。

2 工作面沖擊風險辨識

4310工作面周邊地質構造及開采技術條件較復雜，受自重應力、構造應力和采動應力疊加作用影響，工作面采掘期間面臨較大的沖擊地壓危險隱患。根據工作面實際情況，對其采掘期間的主要沖擊地壓風險進行了辨識[1-2]，主要風險源如下：

(1)工作面長度較短，最短處為54 m，回采期間采空區易形成大面積懸頂；

(2)工作面開采范圍內存在多條巷道，巷道附近存在應力集中；

(3)工作面軌道巷沿FY19大斷層布置，采掘擾動易誘發斷層活化運動；

(4)工作面布置極不規則，先擴面后縮面，特別是縮面區域易形成應力集中；

(5)工作面縮面期間，軌道巷一直位于工作面斜前方，受工作面超前支承壓力影響顯著。

3 工作面開采布置優化

4310工作面最初設計中西部軌道巷平行于FY19斷層布置，導致工作面回采后期，朝向4308工作面采空區與FY19斷層，工作面軌道巷處于地質構造應力與回采超前應力的疊加區，沖擊地壓風險較高。基于此，對巷道設計進行了優化，調整了巷道布置，取消了應力疊加區域的巷道布置，避開了工作面向采空區推采，降低了沖擊風險范圍，沖擊危險區域巷道長度降低了35%，同時，基于綜合指數法分析對比，通過完善巷道布置，將綜合指數法中開采技術因素中沖擊危險指數由0.72降低為0.52。優化開拓布局前后工作面沖擊危險范圍如圖2所示。

4 工作面多方式聯合卸壓

4.1 工作面回采之前預卸壓

4.1.1大直徑鉆孔卸壓

4310工作面掘進期間，在工作面兩巷道兩幫弱沖擊危險區域按照間距3.0 m施工大直徑卸壓鉆孔，中等沖擊危險區域按照間距2.0 m施工大直徑卸壓鉆孔，鉆孔直徑150 mm，孔深15 m，鉆孔距巷道底板1.0～1.5 m。

圖2 優化開拓布局前后工作面沖擊危險范圍示意

4310工作面回采期間，對于掘進期間已施工完大直徑卸壓鉆孔的區域，視應力在線(煤體壓力檢測儀測得)及鉆屑法監測情況，在高應力集中區附近施工大直徑卸壓鉆孔。

4.1.2頂板預裂爆破卸壓

4310工作面直接頂與基本頂為砂巖，最大厚度達到8 m，同時頂板上方有較厚的堅硬砂巖，易形成工作面頂板懸頂。為防止采空區懸頂面積過大突然垮落造成強沖擊影響，在工作面回采前對兩巷道及開切眼進行頂板預裂。

設計頂板預裂鉆孔深度為20 m，傾角為60°，軌道巷施工鉆孔朝工作面外傾斜，運輸巷施工鉆孔朝工作面內傾斜。爆破鉆孔孔底裝藥長度為7 m，其中4 m位于頂板粉砂巖巖層內，3 m位于頂板細粒砂巖巖層內。斷頂爆破鉆孔沿4310工作面開切眼、軌道巷、運輸巷全長布置，鉆孔間距為10 m。

通過鉆屑法與微震監測對爆破斷頂卸壓效果進行驗證，回采前頂板預裂前后一周鉆屑量對比如圖3所示，圖中0～5、6～11、12 m是將鉆屑孔分3個區段。

由圖3可以看出，實施爆破斷頂后，煤粉量相較斷頂前有較明顯的減小，證明爆破斷頂后，巷道圍巖所承擔的上部巖層荷載降低，有效降低了巷道應力集中現象。

頂板預裂卸壓前后一個月微震震動次數統計如圖4所示。由圖4可以看出，總震動次數由未進行爆破斷頂時的85次降低為爆破斷頂后18次，降低了78.8%。最大能量也由開始的3 820 J 降低為后期的638 J，降低了83.3%。

圖3 回采前頂板預裂前后一周鉆屑量對比

爆破斷頂的實施有效降低了煤層中應力集中現象，避免了煤層應力集中造成的沖擊地壓顯現，達到了防止沖擊地壓的目標。

4.2 工作面回采過程中采區的防沖措施

4310工作面回采期間，為防止回采過程中潛在沖擊危險，在煤層預卸壓方面采取了以下兩種方法[3]：一是煤層深孔預卸壓，對軌道巷拐點外至軌道巷聯絡巷高應力區段集中施工大直徑超深卸壓鉆孔加強預卸壓；二是煤層爆破預卸壓，對工作面兩巷道煤體進行松動爆破預卸壓。

4.2.1煤層深孔預卸壓

從4310工作面軌道巷拐點外至軌道巷聯絡巷區域，工作面一側實施超深孔卸壓處理，鉆孔直徑為150 mm，間距3.0 m，孔深50 m，鉆孔采用單排布置，布置在兩排錨桿之間，距巷道底板距離1.0～1.5 m，如圖5所示。

圖4 頂板預裂卸壓前后一個月微震震動次數統計

圖5 大直徑超深鉆孔卸壓布置

4.2.2工作面應力集中區煤層松動爆破卸壓

松動煤層爆破鉆孔沿4310軌道巷和運輸巷生產幫布置，從工作面煤壁前方40 m布置第一個爆破卸壓鉆孔之后每隔8 m布置1個鉆孔，直至工作面設計停采線前方不小于45 m范圍。采用麻花鉆桿配合直徑43 mm鉆孔沿煤層傾角施工，鉆孔深度為12 m，如圖6所示。

圖6 煤層松動爆破孔布置

卸壓爆破后，通過鉆屑法、微震監測、CT反演等手段對卸壓效果進行檢驗，爆破卸壓前后煤粉量監測如圖7所示，圖中0～5、6～11、12 m是將鉆屑孔分3個區段。

圖7 爆破卸壓前后鉆屑量監測

由圖7可以明顯看出，爆破卸壓后鉆屑量有較大程度的降低。此外，對爆破前后4310工作面進行一個月的微震監測。結果顯示：通過爆破卸壓，4310工作面微震總震動次數由未爆破時的308次降低為爆破后的173次，微震次數降低了43.8%。同時最大能量釋放由未爆破時的3 710 J降低到1 720 J，降低了53.6%。表明爆破卸壓后，4310工作面煤層應力集中得到有效緩解，應力集中降低。

4.2.3扇形斷頂爆破卸壓

4310工作面推進至軌道巷臨近停采線位置時，為降低停采三角應力集中區的沖擊風險，沿工作面方向實施了兩組扇形斷頂爆破卸壓。

在4310工作面軌道巷停采線位置設計兩組扇形爆破孔，爆破孔孔深分別為26、33、43 m，鉆孔傾角分別為55°、40°、30°。如圖8所示。

圖8 軌道巷斷頂鉆孔布置

通過鉆屑法與微震監測兩種手段對扇形鉆孔爆破斷頂效果進行監測。斷頂前后鉆屑量進行監測，爆破卸壓后煤粉量有較大程度的降低如圖9所示，圖中0～5、6～11、12 m是將鉆屑孔分3個區段。

此外，對斷頂前后4310工作面進行一個月的微震監測，結果表明：通過爆破卸壓，4310工作面微震總震動次數由未爆破時的466次降低為爆破后的45次，微震次數降低了90.3%。同時最大能量釋放由未爆破時的3 020 J降低到1 540 J，降低了49.0%。表明斷頂卸壓后，4310工作面煤層應力集中得到有效緩解，應力集中降低。

圖9 斷頂爆破前后鉆屑量監測

5 結語

井工煤礦生產進入中后期都面臨邊角煤柱的回收問題，而大多數邊角煤柱是不規則的，回采不規則的邊角煤柱又要面對頂板壓力大的難題，特別是沖擊地壓治理問題。本文就是回采不規則邊角煤柱的一個特例，在工作面設計、回采前、采中、末采分別采取了針對沖擊地壓治理的措施，實現了安全回采。