綜放開采見方構造區沖擊危險性分析及防治研究

閆耀東， 潘俊鋒， 席國軍, 焦彪， 史星

(1.煤炭科學研究總院， 北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司， 北京 100013；3.陜西彬長胡家河礦業有限公司， 陜西 咸陽 713600)

0 引言

隨著煤炭開采活動向深地轉移，沖擊地壓問題日益凸顯[1-2]。由于沖擊地壓成因復雜，顯現形式多樣，當前對沖擊地壓的機理認識、監測手段和防治措施也復雜多樣，致使礦井難以選擇合適的方法解決沖擊地壓問題[3]，更為嚴重的是沖擊地壓的發生可能誘發煤與瓦斯突出及冒頂等次生災害，嚴重限制了深部礦井的生產與建設。

目前，我國在沖擊地壓理論研究方面成果眾多[4-7]，包括應力控制理論、弱化減沖理論及沖擊啟動理論等?；跊_擊地壓發生機理指導的防沖實踐，在復雜的地質及采掘條件下的應用也不盡相同，齊慶新等[8]分析了深孔斷頂爆破在甘肅平涼華亭煤礦急傾斜煤巖層條件的應用。潘俊鋒等[9]分析了深孔區間爆破技術在河南義馬千秋煤礦半孤島工作面的應用。在監測技術方面，姜福興等[10]分析了微地震監測手段在山東棗莊朝陽煤礦千米深井構造活化區的應用。蔡武等[11]分析了微震多維信息的時空預測方法在河南義馬躍進煤礦斷層構造區的應用。以上防沖實踐在指導沖擊地壓礦井的安全生產中有重大意義，但更多地是從單一地質構造或見方效應的因素分析礦井的沖擊危險性，而當前沖擊地壓礦井鮮明的特點就是開采條件一直變化，影響因素復雜多樣，也就意味著沒有絕對成熟的防治技術拿來復制[12]，需要因地制宜分析多因素耦合對沖擊地壓的影響。

對于綜放工作面而言，頂板垮落形成的空間結構復雜[13]，隨著工作面回采至采空區見方時[14]，頂板上覆巖層在垂直方向上的運動可達到最大值，若此時井田構造較發育，二者相互疊加作用，對于防治沖擊地壓極為不利。鑒此，本文以陜西彬長胡家河煤礦401111綜放工作面為工程背景，具體分析綜放開采條件下地質構造與見方效應耦合區域內的沖擊危險性及防治措施，為類似條件下的沖擊地壓煤層安全回采提供參考。

1 工程背景

401111工作面是胡家河煤礦401盤區布置的第5個工作面，為綜放工作面，其布置如圖1所示，井下具體位置如下：東側緊鄰401101工作面采空區，南側為礦井邊界保護煤柱，西側為礦井三下開采區，北側為中央大巷保護煤柱。煤層底板標高為+340～+356 m，該工作面設計長度為1 607.5 m，傾向長度為180 m。工作面在準備期間，除布置運輸巷、回風巷外，仍需在煤層中布置高位瓦斯抽放巷以及在部分區段煤柱內布置泄水巷。該工作面4號煤層賦存穩定，煤層近乎水平，厚度為15.0～27.0 m，平均厚度約為24 m。工作面內發現曲率半徑大于5 m的低序次的褶曲1個(向斜Q1)，同時工作面回風巷處存在1個正斷層F6,產狀150°,∠46°,落差H=6～10 m，破碎帶寬度約為0.2 m。

根據以往胡家河煤礦動力顯現歷史規律，401盤區工作面多次發生沖擊顯現，嚴重影響了礦井的生產效率。如2013年的2起沖擊顯現，401101工作面回風巷強烈煤炮導致回風巷道內超前約40 m處出現局部冒頂；401101工作面運輸巷采煤機從機尾向機頭方向割至70號支架時，工作面煤炮頻繁、強烈。運輸巷超前支架至轉載機、破碎機之間發生了冒頂事故。

2 綜放開采見方構造區沖擊危險性分析

401盤區早期開采的工作面受相鄰采空區的影響有限，工作面的沖擊危險性受Q1褶曲及F6斷層的影響更多。隨著采空區的不斷形成，目前401111工作面回采推進時，工作面上方頂板隨著采空的擴大，依次與東側401盤區其他工作面采空區聯通產生見方，其中雙面見方時期與過褶曲時期部分重疊，四面見方時期與過斷層時期部分重疊，兩時期見方效應與地質構造聯合作用的區域稱作見方構造區。見方構造區的沖擊危險性影響因素復雜，而影響因素在不同開采階段、不同開采環境下可表現出不同的影響方式和程度。

2.1 動載荷源分析

(1) 工作面見方垮落影響。工作面采空區見方垮落通常指在工作面推進距離與采空區寬度大致相等的條件下，采空區上覆某一巖層或巖層組的整體垮落。一般認為，見方垮落時頂板活動強烈，易造成采掘巷道礦壓顯現異常問題，甚至導致動力災害的發生。401111工作面為401盤區布置的第5個工作面，工作面東側均為采空區，當其回采推進時，存在4次見方效應，潛在沖擊風險極大。

(2) 堅硬厚層頂板活動影響。煤體被采出后，直接頂隨工作面推進而不斷垮落，而上覆堅硬頂板懸而不垮，將上覆巖層的重力傳遞至工作面前方及側向煤體，此時支承壓力作用范圍內煤體的彈性能水平顯著提高，沖擊危險性增大。之后上覆堅硬頂板在破斷過程中，懸空頂板所積聚的大量彈性能突然釋放，形成強烈的動載荷，極易導致沖擊地壓等動力災害的發生。401111工作面開采的4煤層被鑒定為具有強沖擊傾向性，鑒定結果見表1，在其上方37 m左右位置出現厚度超過10 m的粗粒砂巖頂板，強度較大，易在采空區上方形成懸頂，且該類型頂板垮斷時會釋放較大能量，產生劇烈動載擾動，沖擊危險性較高。

表1 煤層沖擊傾向性鑒定結果Table 1 Identification results of coal seam impact tendency

依照工作面見方垮落劃分的回采推進區域以及微震監測信號測點布置位置如圖2所示。對工作面推進到A、B、C和D區域的微震監測數據進行統計分析，工作面回采期間微震日累計能量、頻次變化如圖3所示。從圖2可看出，工作面推進到A區域及C區域時，影響兩區域沖擊危險性的因素主要為工作面見方垮落。從圖3可看出，工作面見方垮落時，頂板積聚的彈性能釋放，形成強烈的動載荷，具體表現為見方時期微震日累計能量及頻次顯著增大，同時三面見方時期較單面見方時期具有更高的能量及頻次，工作面沖擊危險性更高。

圖2 工作面回采推進及微震監測布置Fig.2 Layout of mining advance and microseismic monitoring in working face

圖3 工作面回采期間微震日累計能量、頻次變化Fig.3 Daily cumulative energy and frequency variation of microseisms during mining in working face

2.2 靜載荷源分析

(1) 構造應力的影響。401111工作面Q1褶曲構造區的掘進及回采工作面沖擊危險性總體偏高。褶曲構造系巖層受強力作用所揉成的彎曲變形，巖層的產狀變化很大，但巖層的連續性并未受到嚴重破壞，在褶曲邊緣、煤層走向及走向變化處，尤其是褶曲軸部升起的煤層轉折處是沖擊地壓頻發區。隨著工作面回采靠近斷層F6時，超前支承壓力的前移受阻，致使采場覆巖壓力大都作用在當前工作面與斷層面之間的煤體上，該處煤體內支承壓力大幅增加。同時斷層構造區域存在地質構造應力場，在較高支承壓力和構造應力異常的雙重作用下，斷層帶附近煤巖體發生沖擊的可能性將會顯著加大，構造應力影響區域內采動應力演化規律異常復雜。

(2) 垂直應力的影響。401111工作面平均開采深度為634.9 m，超過了彬長礦區的沖擊地壓臨界深度，處于高應力環境，煤巖體內垂直應力集中區往往為沖擊啟動區。見方初期頂板懸而不垮，煤壁前方超前支承壓力水平高于未見方時期。同時工作面布局設計不合理往往也會導致垂直應力集中。401111工作面設計在401盤區最西側，其東側工作面均已回采完畢，相鄰采空區對其回采影響極大；與401101工作面間的部分區段煤柱內開挖了1條泄水巷，泄水巷的開挖增大了區段煤柱內的垂直應力集中程度，當工作面推進至終采線附近時，巷道群的影響又提高了沖擊風險。

根據圖2可知，工作面在剛推進至B區域及D區域的前端時，兩區域在構造應力異常及垂直應力較高的雙重影響下，沖擊危險性大大增強。而利用微震數據實現對靜載荷源的觀測，還需結合圖3相應時期的微震事件進行統計，工作面推進至4個區域時，不同區域超前范圍內微震事件分布如圖4所示。工作面超前支承壓力影響區域是沖擊地壓、微震事件的主要發生區域[15]。

圖4 工作面不同區域超前范圍內微震事件分布Fig.4 Distribution of microseismic events in different areas of working face

從圖4可看出，隨著工作面的不斷推進，工作面見方垮落，依次經過褶曲、斷層構造影響區，工作面超前支承壓力不斷增大，垂直應力峰值位置逐漸向煤層深部轉移，由A區域的超前60 m增大至D區域的超前100 m，其影響范圍也逐漸擴大。

3 見方構造區沖擊地壓防治

根據以上對影響見方構造區沖擊危險性的動靜載荷源的分析，結合圖3中見方構造區的微震事件的變化，即見方構造區微震事件頻繁且日累計能量較大，可得見方構造區既有易產生集中靜載的區域，又有易產生集中動載的區域，屬強沖擊危險區域，分別為雙面見方與褶曲構造組合作用段，回風巷 325～460 m；四面見方與斷層構造組合作用段，回風巷876～1 011 m。

根據沖擊地壓分源防治理念，在見方構造區域巷道的不同層位實施頂板預裂爆破，削減巷道圍巖遠場見方效應帶來的集中動載荷影響，幫部實施大孔徑鉆孔卸壓，底板實施大孔徑鉆孔+爆破卸壓技術，以減弱巷道圍巖近場集中靜載荷的影響。

3.1 頂板動載荷卸壓措施

工作面見方構造區頂板上方50 m范圍依次分布有5.7 m中粒砂巖、7.1，9.7 m厚泥質粉砂巖和7.2 m含礫粗砂巖，其懸頂時易積聚彈性能導致工作面超前范圍支承壓力增大，其斷裂時彈性能快速釋放，對沖擊危險性影響較大。利用炸藥爆破的預裂作用對頂板上覆巖層中的關鍵層進行預裂，降低工作面在回采過程中與相鄰采空區頂板聯通活動造成的影響和破壞程度，縮短周期來壓步距，降低周期來壓強度。

見方構造區域預裂孔的施工參數見表2，布置方式如圖5、圖6所示，分別從巷道及工作面尺度體現了頂板預裂孔施工的相對空間關系，對見方構造區工作面的相鄰采空區懸頂進行切頂，降低工作面超前及側向支承壓力。

表2 頂板預裂孔布置參數Table 2 Parameters of roof presplitting holes layout

圖6 頂板預裂孔布置水平剖視圖Fig.6 Horizontal sectional view of roof presplitting holes layout

3.2 煤層及底板靜載荷卸壓措施

見方構造區內垂直應力及構造應力聯合作用，應力環境復雜，在幫部實施大孔徑卸壓孔，可降低巷道圍巖近場處靜載荷的集中程度。頂板上覆巖層壓力向幫部傳遞過程中，通過卸壓鉆孔的塌陷將一部分能量釋放，降低幫部煤體的應力集中程度，可減少幫部變形。在實施過程中，保證工作面超前200 m范圍內，每隔1 m至少布置1個卸壓鉆孔，且確保每個鉆孔的有效性。卸壓孔開口位置為幫部距底板1.5 m處，孔徑為150 mm，孔深煤柱幫為15 m，實體煤幫為20 m，傾角為0，方位角為90°或270°。鉆孔施工完畢后使用“水泥+煤泥”(比例為1∶3)進行封孔，封孔深度為3 m。

在見方構造區內，實施底板大孔徑鉆孔與爆破卸壓相結合的卸壓方式，目的是在巷道兩幫向底板的壓力傳遞路徑上實施底板卸壓，在壓力傳遞過程中底板處卸壓孔的塌陷將一部分壓力吸收，同時爆破卸壓大范圍切斷了應力轉移路徑，減少了底板鼓起和底角壓潰現象。先在巷道底板實施大孔徑鉆孔，開口位置為底板兩底角處，鉆孔間距為2.8 m，孔徑為150 mm，孔深為10 m，傾角為-45°，方位角為90°或270°，使用水泥、煤泥進行封孔，封孔深度為3 m。后在相鄰2個大孔徑鉆孔的中間施工底板爆破卸壓孔，布置方式如圖7所示，開口位置為兩底角高0.3 m處，使用串聯連線正向裝藥，采用導爆索+雷管+起爆器連接起爆，起爆間隔時間為30 min，每次爆破不得超過2個孔。

圖7 底板爆破卸壓孔布置方式Fig.7 Layout of bottom plate blasting pressure relief holes

3.3 效果分析

目前401111工作面回采至距終采線250 m處，未出現災害性沖擊地壓顯現，工作面巷道的圍巖變形得到了有效控制。為進一步驗證401111工作面卸壓解危措施的有效性，還需通過具體的監測數據來分析。

對401111工作面卸壓后的日微震事件能量進行統計，結果如圖8所示。從圖8可看出，卸壓后日微震事件能量均小于104J，其中10～102J、102～103J及103～104J微震事件分別占比34%、46%及19%，無大能量(大于104J)微震事件發生。

圖8 工作面卸壓后日微震事件能量分布Fig.8 Energy distribution of microseismic events in working face after pressure relief

工作面卸壓后周期來壓變化曲線如圖9所示。從圖9可看出，工作面回采推進到見方構造區域時，頂板周期來壓步距基本在15 m以內。周期來壓步距縮短，頂板垮落及時，減弱了頂板懸頂積聚的彈性能，降低了頂板斷裂提供的動載荷，沖擊危險性減弱。

圖9 工作面周期來壓變化曲線Fig.9 Periodic weighting changes curve of working face

4 結論

(1) 見方構造區的沖擊危險性較高，斷層及褶曲分別影響待開采煤層的連續性及變形特征，致使構造應力異常，上覆巖層壓力伴隨工作面開挖逐漸向煤層轉移，區域內集中靜載荷顯著上升，工作面回采過程中見方效應致使頂板活動頻繁，導致較高水平的集中動載荷，兩者耦合作用下的區域沖擊危險性極大。

(2) 在見方構造區的不同層位實施頂板預裂爆破可削減巷道圍巖遠場集中動載荷影響，在幫部實施大孔徑鉆孔卸壓、底板實施大孔徑鉆孔+爆破卸壓技術，可減弱巷道圍巖近場集中靜載荷的影響。

(3) 以胡家河煤礦401111工作面為工程背景的見方構造區沖擊地壓防治效果良好，卸壓后工作面的微震事件能量均小于104J，且來壓步距縮短至15 m以內，可為同類型礦井條件的沖擊地壓防治提供參考。