綜采工作面沖擊危險(xiǎn)性分析及分源防治

朱剛亮，高 剛，馬文濤，尹傳平，張 磊，郭凱璇

(1.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周圍煤巖體由于彈性變形能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象[1-4]。沖擊地壓發(fā)生是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程，依次經(jīng)歷沖擊啟動(dòng)、沖擊能量傳遞、沖擊地壓顯現(xiàn)3個(gè)階段[5]，采煤工作面采動(dòng)圍巖近場集中靜載荷的積聚是沖擊啟動(dòng)的內(nèi)因，遠(yuǎn)場集中動(dòng)載荷對靜載荷的擾動(dòng)、加載是沖擊啟動(dòng)的外因[6-8]。為保證綜采工作面的安全順利回采，提升綜采工作面的防沖管理水平，以孟村煤礦401101工作面為研究背景，劃分沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，并開展綜采工作面沖擊地壓防治技術(shù)實(shí)踐與應(yīng)用。

1 工程背景

孟村煤礦是一個(gè)具有水、火、瓦斯、煤塵、沖擊地壓等多種自然災(zāi)害的新建礦井。4號(hào)煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板巖層為弱沖擊傾向性巖層。采煤工作面沖擊地壓類型為構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)的靜載荷為主、動(dòng)載荷為輔的動(dòng)靜載疊加型沖擊啟動(dòng)類型，沖擊事件主要發(fā)生在中央大巷DF29斷層及X1向斜構(gòu)造區(qū)附近，造成中央大巷和采掘工作面多處破壞，主要表現(xiàn)形式有：巷道瞬間底鼓、片幫、冒頂、震感強(qiáng)烈等，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。

首采面401101工作面可采走向長度2 090 m，傾向長度180 m，可采儲(chǔ)量504萬t，該工作面范圍內(nèi)煤層厚度16.0～23.9 m，平均煤厚19.95 m。煤層頂板為以砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、粗砂巖為主的復(fù)合型頂板，底板以遇水易膨脹的鋁質(zhì)泥巖為主，回采期間將受到F1斷層、謝家咀背斜、塬口子向斜影響，地質(zhì)構(gòu)造分布情況如圖1所示。

圖1 401101工作面構(gòu)造情況Fig.1 Structure of 401101 working face

2 沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分

依據(jù)綜合指數(shù)法，分析地質(zhì)及開采因素影響，確定401101工作面回采期間總體沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為中等沖擊危險(xiǎn)，考慮重點(diǎn)區(qū)域及重點(diǎn)時(shí)期，對工作面推進(jìn)過程中可能存在的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了劃分。

2.1 頂板活動(dòng)作用下的影響區(qū)域

2.1.1 頂板斷裂危險(xiǎn)區(qū)劃分

首采工作面上方老頂隨著工作面的回采，當(dāng)頂板懸露面積過大時(shí)，采場圍巖易儲(chǔ)存大量的彈性能，一旦發(fā)生斷裂，產(chǎn)生的沖擊動(dòng)載將直接作用于工作面采場及巷道圍巖，產(chǎn)生危險(xiǎn)。根據(jù)工作面的不同推進(jìn)情況，將頂板斷裂危險(xiǎn)區(qū)劃分為工作面初采期間基本頂初次垮落前和工作面“見方”階段。

2.1.2 工作面初采期間基本頂初次垮落前

工作面初采期間基本頂初次垮落前，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果確定基本頂初次來壓步距及周期來壓步距。在初次來壓之后，工作面沖擊危險(xiǎn)相對降低，此后危險(xiǎn)時(shí)期應(yīng)為工作面周期來壓時(shí)期。

2.1.3 工作面“見方”階段

工作面“見方”階段，當(dāng)工作面自切眼向前推進(jìn)180 m距離，推采距離與工作面長度(包括巷道寬度)相當(dāng)時(shí)，開采面積呈正方形，單面初次達(dá)到見方采動(dòng)，此時(shí)頂板運(yùn)動(dòng)和破裂頻繁，釋放的震動(dòng)能量較大。另外,根據(jù)以往工作面現(xiàn)場觀測結(jié)果，該時(shí)期工作面超前支承壓力和巷道側(cè)向支承壓力相對較大。

2.2 構(gòu)造影響區(qū)域

2.2.1 斷層構(gòu)造

401101工作面內(nèi)存在橫穿工作面的F1正斷層，該斷層落差14～18 m，對工作面影響較大。當(dāng)工作面回采到斷層影響區(qū)域時(shí)，斷層本身構(gòu)造應(yīng)力與工作面超前支承壓力疊加，使斷層附近的支承壓力增高，當(dāng)滿足沖擊條件時(shí)，可以誘發(fā)沖擊地壓。另外，斷層構(gòu)造造成煤巖體較為破碎，不利于巷道圍巖的維護(hù)。措施巷掘進(jìn)至斷層約140 m時(shí)，發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，孟村礦區(qū)斷層或褶曲影響范圍可以達(dá)到150 m以上，工作面推進(jìn)到距F1斷層150 m范圍內(nèi)受此影響。

2.2.2 褶曲構(gòu)造

401101工作面東段處于褶曲構(gòu)造區(qū)域內(nèi)，具有較高的水平構(gòu)造應(yīng)力。401101工作面回采中后期會(huì)陸續(xù)通過頂角相對較大的謝家咀背斜(B2背斜)、塬口子向斜(X1向斜)，當(dāng)回采到褶曲軸部區(qū)域或軸部附近時(shí)，受水平擠壓或者拉伸作用容易引起以巷道頂、底板受到顯著破壞為主的礦壓顯現(xiàn)或沖擊地壓。工作面推進(jìn)至B2背斜及X1向斜軸部200 m范圍內(nèi)受此影響。

2.3 底煤影響區(qū)域

401101工作面為上分層開采，運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷及措施巷均留不小于8 m的底煤。對于巷道圍巖而言，頂板和巷幫一般會(huì)進(jìn)行支護(hù)，底板無支護(hù)，從而導(dǎo)致底板成為巷道最為薄弱的區(qū)域。當(dāng)沖擊載荷作用至巷道圍巖時(shí)，能量將從最薄弱的環(huán)節(jié)突破，該過程必然伴隨底板的沖擊破壞或緩慢底鼓。401101工作面全程回采期間均會(huì)受此影響。依據(jù)沖擊影響因素，劃定強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域8個(gè)，中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域16個(gè)，其余均為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。具體危險(xiǎn)區(qū)域劃分見表1，劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 401101工作面回采期間沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果Fig.2 The division of the rockbust danger zone during the mining of 401101 working face

表1 沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分Table 1 Division of rockburst risk areas

由于地質(zhì)構(gòu)造區(qū)具有較高的構(gòu)造應(yīng)力，當(dāng)回采至該區(qū)域時(shí)，在采動(dòng)影響下，動(dòng)載與靜載疊加易使集中應(yīng)力達(dá)到煤層沖擊臨界值，從而誘發(fā)沖擊地壓；并且煤層上方賦存多層硬厚砂巖，不僅因懸頂使彎曲彈性能在煤體內(nèi)的積聚，還會(huì)因巖層斷裂產(chǎn)生沖擊動(dòng)載，易誘發(fā)沖擊地壓。

3 微震事件活動(dòng)特征

選取401101工作面范圍2018年7月1日至2018年7月31日共31 d的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此時(shí)、空范圍內(nèi)共有902個(gè)有效微震事件，總能量為5.27×106J，平均能量為5.84×103J，最大能量為2.00×106J，統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)工作面推進(jìn)180 m，平均每米釋放能量為2.93×104J。微震事件的平面分布如圖3所示，大部分微震事件以及大部分高能微震事件均分布于401101運(yùn)輸巷側(cè)。

圖3 統(tǒng)計(jì)期內(nèi)微震事件分布Fig.3 Distribution of microseismic events during the statistical period

圖4為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)頻次、能量分布柱狀圖，可以看出，能量1×103～1×104J的微震事件最多，占比72.84%，且總能量也最大，達(dá)到了2.55×106J。能量在1×102～1×103J的微震事件為166次，占比18.40%，總能量為8.40×104J。能量在1×104～1×105J的微震事件為65次，占比7.21%，總能量為1.94×106J。能量在1×105～1×106J的微震事件有4次，總能量為6.83×105J。

圖4 統(tǒng)計(jì)期內(nèi)微震頻次、能量分布Fig.4 Frequency and energy distribution of microseismic during the statistical period

1×103～1×104J能量事件頻次和能量占據(jù)主導(dǎo)地位，表明回采過程中圍巖積聚能量可以均勻釋放，對突發(fā)性動(dòng)力災(zāi)害的防治較為有利。根據(jù)以往發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象來看，當(dāng)微震事件能量在1×105J以上時(shí)，就有可能對巷道圍巖造成破壞，而401101工作面回采過程中，能量大于1×105J的微震事件頻發(fā)，表明在401101工作面回采初期煤巖活躍度比較高，具有較高的沖擊危險(xiǎn)，這與工作面上方頂板比較堅(jiān)硬，但回采初期并未對頂板采取措施有關(guān)。

4 沖擊地壓防治方案及效果檢驗(yàn)

依據(jù)不同載荷來源，針對頂板、幫部及底板制定分源防治方案，并進(jìn)行工程實(shí)踐[9-11]。

4.1 頂板高壓水力壓裂

401101工作面穿越地質(zhì)構(gòu)造帶期間，對401101工作面回風(fēng)巷副幫側(cè)進(jìn)行壓裂施工。方位角垂直副幫煤壁，傾角45°，孔深40 m，間距10 m；采用后退式分段壓裂，每孔壓裂4～5次，每次20～30 min。

401101工作面回風(fēng)巷正幫側(cè)構(gòu)造區(qū)域(DF29斷層及X1塬口子向斜)進(jìn)行壓裂施工，施工范圍為DF29斷層西側(cè)150 m(即回風(fēng)巷800 m)至X1塬口子向斜東側(cè)150 m(即回風(fēng)巷230 m)，共計(jì)570 m。方位角垂直正幫煤壁時(shí)，傾角15°，孔深40 m，間距20 m；方位角與巷道軸向夾角20°時(shí)，傾角45°，孔深40 m，間距20 m。采用后退式分段壓裂，每孔壓裂4～5次，每次20～30 min。

4.2 幫部大直徑鉆孔

回風(fēng)巷幫部施工大直徑卸壓鉆孔，煤體大直徑卸壓鉆孔參數(shù)見表2。

表2 煤體大直徑卸壓鉆孔參數(shù)Table 2 Parameters of large-diameter pressure relief drilling holes in coal mass

4.3 底板大直徑鉆孔

運(yùn)輸巷底板卸壓鉆孔布置在巷道中部，鉆孔深度10 m，見巖停鉆，具體參數(shù)見表3。

表3 運(yùn)輸巷底板卸壓鉆孔布置Table 3 Layout of pressure relief drilling holes in the floor of the transport roadway

回風(fēng)巷底板孔布置在回采側(cè)底角處，鉆孔深度12 m，見巖停鉆，具體參數(shù)見表4。

表4 回風(fēng)巷底板卸壓鉆孔布置Table 4 Arrangement of the pressure relief drilling holes for the floor of the return airway

4.4 應(yīng)用效果

實(shí)施分源防治方案前，微震活動(dòng)日平均釋放能量3.3×105J，日平均釋放頻次101次。實(shí)施分源防治方案后日均總能量及頻次趨于平緩，微震活動(dòng)日平均釋放能量2.75×105J，降低了16.6%。日平均釋放頻次84次，降低了16.8%，周期來壓步距明顯縮短，保障了工作面順利回采。

5 結(jié)論

(1)401101工作面回采期間總體具有中等沖擊危險(xiǎn)，劃定強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域8個(gè)，中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域16個(gè)，其余均為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

(2)工作面回采期間微震活動(dòng)性強(qiáng)，高能微震事件占比大，沖擊危險(xiǎn)性較大。

(3)依據(jù)載荷來源制定了分源防治方案，針對頂板開展爆破及水力壓裂弱化卸壓，針對幫部及底板開展煤層大直徑鉆孔卸壓，工程實(shí)踐表明，通過開展分源防治措施，微震活動(dòng)顯著下降，周期來壓步距明顯降低，保障了工作面順利回采。