綜放工作面沖擊危險性評價及防治措施

錢紅亮，趙曉凡

(1.河南大有能源股份有限公司 耿村煤礦，河南 三門峽 472400； 2.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000)

綜放開采作為一種高效采煤方法在我國已得到廣泛應用。近年來，隨著煤礦開采強度的增加，淺部煤炭資源逐漸枯竭，開采水平不斷向深部延伸，尤其是在我國中東部地區，部分煤礦開采深部已達到800～1 000 m.深部開采受“三高一擾動”影響，沖擊地壓事故頻發，嚴重威脅煤礦安全生產。姜福興等[1]提出一種考慮自重應力疊加的回采工作面沖擊危險性評價方法，該方法實現了對回采工作面沖擊危險評價的量化。潘俊鋒等[2]針對目前沖擊危險性評價方法的不足，研究了工作面推進度及其變化梯度對高能礦震的影響，提出煤層卸壓爆破等防沖解危措施。翟明華等[3]研究了深部回采側向支承壓力分布規律，并對臨近工作面進行沖擊危險性評價。楊光宇等[4]分析了深部開采特厚煤層巷道沖擊特征，并基于沖擊啟動理論，通過建立力學模型對工作面進行多元指數法沖擊危險性評價。針對沖擊地壓機理防治技術的研究學者們也進行了大量研究[5-12]。齊慶新等[13]研究了斷層及巨厚礫巖層耦合條件下沖擊地壓發生機理，提出“弱鏈增耗”防沖技術。潘一山等[14]通過建立沖擊地壓巷道力學模型，分析了沖擊能量對巷道影響全過程，提出三級吸能支護體系。竇林名等[15]通過建立煤巖沖擊力學模型，提出動靜載疊加誘發沖擊地壓原理，提出了綜合監測預警技術。

耿村井田煤層上覆均厚300 m巨厚礫巖層。由于巨厚礫巖層整體性好，隨著煤層回采，巨厚礫巖層會形成大面積懸頂，受采動應力及F16逆沖斷層的推覆影響，巨厚礫巖層一旦垮落其產生的震動波與回采應力疊加，可能在回采工作面前方煤體及回采巷道中產生大能量礦震，誘發沖擊地壓。因此，進行耿村煤礦13200綜放面的沖擊危險性評價，并提出防治措施對煤礦安全生產具有重要意義。

1 礦井及工作面概況

義煤集團耿村煤礦13200綜放面位于13采區延深軌道下山西翼，北部為已開采的13180綜放工作面采空區，西部與南部均為未開采的2-3煤實體。工作面可采走向長719 m，傾斜長249 m。13200工作面頂板為侏羅系頂板，直接頂為灰黑色、黑色泥巖，厚度25.0 m，具隱蔽水平層理。煤層直接底為泥巖，厚度為2.8 m，老底為泥巖砂巖交替層，厚度35.0 m以上。

2 綜放面沖擊危險性評價

綜合指數法是評價工作面沖擊危險性的常用方法，主要是在已發生沖擊地壓災害的基礎上，通過分析地質條件及采礦因素對工作面沖擊地壓的影響，確定各因素影響所占權重，以綜合指數來判定工作面沖擊地壓發生等級。綜合指數法分類指數見表1.

表1 綜合指數法分類指數

2.1 地質因素對綜放面沖擊危險的影響

影響沖擊地壓的主要因素有地質因素和開采技術因素[1-2]。地質因素主要包括開采深度、頂板堅硬巖層、構造應力集中、煤層沖擊傾向性等，結合13200綜放面地質條件，通過計算和對比分析，確定地質條件影響沖擊地壓危險狀態的因素及指數，如表2所示。用公式(1)計算地質因素對沖擊地壓危險狀態的影響程度，并確定沖擊地壓危險等級評定的指數Wt1，計算得出Wt1=0.57.

表2 地質條件影響工作面沖擊地壓危險狀態的因素及指數

(1)

式中：Wt1為根據采礦地質因素確定的沖擊地壓危險指數；Wimax為第i個地質因素中的最大指數值，最大值均為3；Wi為采掘工作面周圍第i個地質因素的實際指數；n1為地質因素的數目。

2.2 開采技術因素對綜放面沖擊危險的影響

影響沖擊地壓的開采技術因素主要包括開采技術條件、開采歷史，煤柱、停采線位置等[3-4]，結合13200綜放面開采技術條件，確定開采技術因素對沖地壓的影響程度及相應指數，如表3所示。用公式(2)確定開采技術因素對沖擊地壓危險狀態的影響程度以及確定沖擊地壓危險等級評定的指數Wt2，計算得出Wt2=0.62.

表3 開采技術條件影響工作面沖擊地壓危險狀態的因素及指數

(2)

式中：Wt2為根據開采技術影響因素確定的沖擊地壓危險指數；Wimax為第i個開采技術影響因素中的最大指數值，最大值均為3；Wi為采掘工作面周圍第i個開采技術影響因素的實際指數；n2為開采技術影響因素的數目。

依據Wt=max{Wt1,Wt2}可以得出13200工作面回采期間沖擊地壓危險狀態等級評定的綜合指數為：

Wt=max{0.57,0.62}=0.62∈(0.5,0.75)

(3)

根據公式(3)所得出的13200工作面回采期間沖擊地壓危險狀態等級評定的綜合指數，并對照表1，可以確定采用綜合指數法確定13200工作面回采期間具有中等沖擊危險性。

3 工作面沖擊地壓防治

13200綜放面在回采過程中主要以大直徑卸壓鉆孔、煤層注水軟化、斷底卸壓等常規治理措施為主，卸壓爆破等特殊卸壓措施為輔的聯合卸壓手段[5-6]。

1) 卸壓鉆孔。13200工作面回采期間，在工作面超前300 m回風平巷下幫，運輸平巷上下幫施工超前卸壓鉆孔進行卸壓。鉆孔直徑≥120 mm，鉆孔開口位置距巷道底板0.5～1.5 m.通過在巷道兩幫實施一系列間距合理的大直徑鉆孔以后，每個鉆孔周圍會形成一定的破碎區，當破碎區相互貫連后，在巷道周邊形成弱化帶，促使巷道支承壓力向深部圍巖轉移，從而使巷道處于低應力區。工作面內不同的沖擊危險區卸壓鉆孔布置要求不同，具體參數如表4所示。

表4 卸壓鉆孔參數

2) 煤層注水。煤層沖擊傾向性與煤層含水率有關，煤層注水可以降低或消除煤層沖擊傾向性。沖擊地壓煤層回采前，實施煤層預注水，降低煤體強度，消除或弱化煤層沖擊傾向性和沖擊能力。煤層注水作為沖擊地壓的常規治理措施在回采平巷內實施。13230綜放工作面回采過程中在超前工作面150 m區間內，對回風平巷下幫、運輸平巷兩幫，由里向外單孔實施動或靜壓注水。回采平巷煤層注水鉆孔布置如圖1和圖2所示。注水鉆孔孔徑75 mm，孔深40 m，孔間距15～20 m；孔口位置布置在巷道煤體完整處，一般位于巷高1/3～1/2位置處，鉆孔垂直巷幫沿煤層傾斜方向布置。運輸平巷上幫鉆孔傾角10～13°，運輸平巷及回風平巷的下幫鉆孔傾角均為1～3°.

圖1 回風平巷煤層注水孔剖面圖

圖2 運輸平巷煤層注水孔斷面圖

3) 斷底爆破。對于一般沖擊危險區的煤層，經煤層鉆孔卸壓后，能夠實現煤層的安全開采。對于強沖擊危險區，經煤層鉆孔卸壓后，經鉆屑法效果檢驗后卸壓效果不理想時，可以采用特殊卸壓措施——煤層卸壓爆破防治方法對煤體進一步卸壓。

13200綜放面對回采巷道留有底煤的均采取斷底卸壓措施：①當巷道底煤(含煤矸互層)厚度d≤1.5 m時，在巷道兩幫腳實施底板卸壓孔，方位垂直巷幫，傾角向下45°±5°鉆孔，孔徑D≥120 mm，孔間距(1±0.2)m，終孔接觸底板巖層為止，鉆孔不進行爆破，只進行注水軟化。②當巷道底煤(含煤矸互層)厚度1.5 m4 m時，除巷幫底角實施斷底孔外，每隔20 m沿巷道橫斷面施工3個底板爆破孔，孔徑D≥75 mm，間距1～1.5 m，鉆孔傾角45～90°，第一個斷底孔布置在距巷幫1.0 m的位置。④當巷道穿層由頂板進入煤層時，須從巷道底板與煤層間巖柱厚度h≤3 m時開始采取底板卸壓措施。

4) 深孔爆破。在高應力區或應力異常區(一般在工作面上下巷超前60～150 m范圍內)，定期進行深孔爆破誘導卸壓。孔深大于15 m，孔間距5 m.為控制爆破當量，每次最多允爆4個孔。

4 沖擊地壓防治效果分析

4.1 綜放面超前支承壓力分析

基于關鍵層理論，建立如圖3所示的超前支承壓力計算模型，并結合13200綜放面生產技術參數，依據文獻[16]計算工作面回采期間超前支承壓力，繪制如圖4所示的超前支承壓力分布曲線。13200綜放工作面超前支承壓力峰值位置距切眼約43.13 m，支承壓力峰值約為29.45 MPa.按照超前支承壓力分布特征，沿工作面走向方向進行分區如表5所示。

表5 超前支承壓力影響范圍及分區

圖3 超前支承壓力計算模型

圖4 超前支承壓力分布曲線

4.2 微震監測結果分析

為分析工作面采取防沖措施后的防治效果，對2021-05-21至2021-06-04微震事件進行統計分析，繪制如圖5所示的微震事件分布圖。并對微震事件分布進行統計，如表6所示。

表6 2021-05-21至2021-06-04微震事件分布統計

圖5 2021-05-21至2021-06-04微震事件分布圖

2021-05-21至2021-06-04，13200綜放面共發生3次方及以上(E≥1.0×103J)微震事件65起，其中3次方能量的微震事件(1.0×103J≤E<1.0×104J)54起，占83.1%；4次方能量的微震事件(1.0×104J≤E<1.0×105J)10起，占15.4%；6次方能量的微震事件(1.0×106J≤E<1.0×107J)1起，占1.5%.監測到的微震事件中最大能量為2.1×106J，震源位于采空區內，且未導致回采巷道應力和工作面內礦壓明顯變化。微震監測結果表明，在工作面內采取卸壓措施后，防治效果明顯。沿工作面走向方向來看，受超前支承壓力影響，微震事件主要分布于峰值應力影響區和高應力影響區內。

5 結 語

1) 基于綜合指數法對耿村煤礦13200綜放面的沖擊危險指數進行分析，得出13200綜放面地質因素和開采技術因素對沖擊地壓危險的影響指數分別為0.57、0.62，綜合判斷沖擊危險性綜合指數為0.62，13200綜放面沖擊地壓類型屬于中等沖擊等級。

2) 提出以大直徑卸壓鉆孔、煤層注水軟化、斷底卸壓等常規治理措施為主，卸壓爆破等特殊卸壓措施為輔的聯合卸壓手段，并給出了相應技術參數。

3) 建立超前支承壓力計算力學模型，分析了綜放面前方超前支承壓力分布規律，并結合微震監測，分析了沖擊地壓防治效果。結果表明，綜放面在采取聯合卸壓手段后，沖擊地壓防治效果顯著。