文家坡礦4105 工作面沖擊地壓防治措施研究

翟恒玉 翟恒杰

（陜西彬長文家坡礦業有限公司，陜西 咸陽 713500）

煤礦沖擊地壓是采場應力劇烈變化、能量積聚、耗散和突然釋放的動力學過程，孕災和致災機理復雜、影響因素眾多。如何準確分析沖擊地壓機理，定量識別煤巖體結構失穩災變的前兆信息，揭示煤礦沖擊地壓孕育機制，形成適合煤礦自身地質和開采條件的預警與防治技術，是保障煤礦安全生產的重大課題。諸多學者對此進行了大量的科學研究，并取得了豐富的成果。

史銳、劉亮[1-2]等采用大直徑鉆孔卸壓提前對工作面兩巷進行預裂爆破卸壓，已在諸多礦井得到很好的證明，效果較為明顯。簡軍峰等[3]通過調研彬長礦業公司5 對礦井的防沖問題，從開拓布局、開采解放層、合理確定工作面開采順序、留設煤柱、采煤工作面長度、采掘速度、采煤方法、支護方式、微震監測和水力壓裂10 個方面提出了對策建議。楊琛等[4]采用微震監測系統作為區域監測手段，并在迎頭及幫部進行鉆屑法監測，同時實施大直徑長鉆孔卸壓，并對貫通時期的人員及物料管理制定了防護措施。

針對文家坡礦強礦震、沖擊地壓機理復雜、影響因素繁多導致災害突發性大、治理工程缺乏針對性的實際問題，本文以文家坡礦4105 工作面為工程背景，分析了4105 工作面布置、地質構造以及煤層頂底板情況，研究了工作面沖擊主控因素與誘發機理。據此，提出了針對4105 工作面煤體、頂板及底板有沖擊危險區域的具體防治措施。

1 工作面概況

1.1 工作面布置情況

4105 工作面位于41 盤區，東臨4104 回采工作面，西接4016 設計工作面，南依41 盤區開拓大巷，北靠紅巖河保護煤柱。工作面煤層埋深536.4～778.9 m，運順標高+471～+377 m，回順標高+459～+378 m，走向長度2873 m，傾向長度200 m。采用走向長壁綜合機械化智能化放頂煤方法開采，工作面兩巷布置分別為4105 工作面回風巷、4105 工作面帶式輸送機巷，4106工作面回風巷作為4105工作面泄水巷，如圖1。

圖1 4105 工作面布置示意圖

1.2 地質構造

（1）褶曲

根據文家坡地質精查報告、三維地震勘探以及地質實測資料綜合顯示，路家-小靈臺背斜位于該工作面南部，背斜軸部走向約48°，南翼地層向北0.5°～5°上坡，北翼地層向北0.5°～5°下坡，軸部地層抬高，兩翼地層寬緩；南玉子向斜穿過工作面北部及切眼，向斜軸部走向76°，南翼地層向北0.5°下坡，北翼地層向北1.5°上坡，軸部地層壓低，兩翼地層寬緩。

（2）斷層

4105 工作面回采期間將依次揭露F26 正斷層、F21 正斷層，F26 正斷層落差為0～1.9 m，F21 正斷層落差為4～5.3 m，皆為北東走向，北西傾向。F26正斷層僅在4105 回風巷揭露，4105 膠帶巷未揭露，判斷該斷層在工作面內尖滅；F21 正斷層穿過整個4105 工作面，向4106 工作面延伸，F21 正斷層在4105 工作面內延伸長度為203 m，南北長度為40 m。

1.3 煤層頂底板情況

老頂為粗粒砂巖，厚度3.51～6.10 m，平均厚度4.81 m；直接頂為粗粒砂巖或泥巖，厚度1.30～2.66 m，平均厚度1.98 m。粗砂巖呈灰白色，粗粒砂狀結構，成分以石英、長石為主，顆粒次棱角狀，分選較差，鈣質膠結，致密堅硬；泥巖呈灰褐色、水平層理，具有滑感，見水易碎，致密，斷口較平整。

底板為鋁質泥巖或泥巖，厚度2.99～6.29 m，平均4.62 m，灰褐色，具水平層理，具有滑感，質軟，斷口較平整。

2 4015 工作面沖擊主控因素與誘發機理研究

2.1 4105 工作面主控因素

（1）堅硬頂板是影響4105 工作面沖擊地壓的主控因素之一，務必及時落實、加強工作面后續頂板預裂工程。

（2）局部區域由地質（斷層、賦存變化等）和開采條件（煤柱、底煤、硐室等）導致的高應力異常，是影響4105工作面沖擊地壓的主控因素之一。

當二者疊加影響時，危險性最大。

2.2 4105 工作面沖擊發生的臨界條件

采掘空間周圍煤巖體中的地應力、支承壓力、構造應力、斷層應力等靜載荷與采掘工作面生產過程中煤巖體的破裂、頂板巖層的破斷運動、斷層的活化等產生的礦震形成的動載荷疊加，超過了煤巖體沖擊的極限載荷時，礦震動載就有可能誘發沖擊地壓災害（如圖2）。可用以下公式表示：

圖2 沖擊地壓的“動靜疊加原理”示意圖

式中：σj為煤巖體中的靜載荷；σd為礦震形成的動載荷；σbmin為發生沖擊地壓時的極限載荷。

根據試驗研究，發生沖擊地壓的極限載荷與煤的單向抗壓強度的大小有關。當煤的單向抗壓強度RC＞20 MPa 時，煤體發生沖擊地壓破壞的最小應力水平為50 MPa；煤的單向抗壓強度RC＜16 MPa 時，煤體發生沖擊地壓破壞的最小應力水平為70 MPa；當煤的單向抗壓強度RC=16～20 MPa 時，發生沖擊地壓破壞的最小應力水平為50～70 MPa。

根據《文家坡礦4 煤及其頂底板巖層沖擊傾向性鑒定報告》，4#煤試樣的單軸抗壓強度為21.467～23.775 MPa，平均22.62 MPa。根據試驗結果，確定50 MPa 為發生沖擊的臨界壓力。

3 4105 工作面沖擊地壓防治

3.1 4105 工作面沖擊地壓防治原則

（1）采取巷道煤層鉆孔、爆破卸壓及底板卸壓等措施降低巷道周邊自身應力。

（2）采取頂板預裂措施降低超前支承壓力和頂板來壓動載應力。

（3）采取監測預警技術及時、準確識別危險區域，對危險區域補強卸壓措施。

3.2 4105 工作面沖擊地壓防治措施

對有沖擊危險的區域采取預卸壓措施，并及時利用沖擊地壓監測手段對其監測檢驗治理效果，確保措施起到降低甚至消除沖擊危險的目的。同時對于監測到的有異常礦壓顯現的區域，經檢驗具有沖擊危險時必須及時采區解危措施。

（1）煤體爆破

對監測到危險異常區域，可在回風、運輸順槽生產幫和煤柱幫側采用鉆機分別補打幫部爆破孔，鉆孔間距4 m，開孔位置距巷道底板1.5～2.0 m，鉆孔深度為15 m，孔徑為75 mm，封孔長度10 m，裝藥長度5 m，裝藥量13 kg，如圖3。其余參數可參照回風、運輸順槽幫部預卸壓煤體爆破孔。對于已實施幫部預卸壓煤體爆破孔的位置，煤體解危爆破孔位置應位于原有煤體預卸壓爆破孔之間。具體施工位置根據現場施工條件、礦壓顯現情況進行調整。

圖3 幫部卸壓孔布置圖（m）

（2）頂板爆破

對回風順槽監測到危險或煤體解危爆破孔未起到應有卸壓效果的區域，在回風順槽原有頂板爆破孔基礎上補打頂板解危爆破孔。生產幫側每組補打1 個頂板爆破孔，爆破孔與煤層層面夾角為45°，鉆孔深38 m，保證在一個平面內，孔徑為75 mm，間距為20 m；煤柱幫側每組補打2 個頂板爆破孔，爆破孔與煤層層面夾角為70°、45°，鉆孔深度為38 m、50 m，保證在一個平面內，孔徑為75 mm，間距為10 m，如圖4。其余參數可參照回風順槽頂板預卸壓爆破孔。解危頂板爆破孔位置應位于頂板原有預卸壓爆破孔之間，具體施工位置根據現場施工條件、礦壓顯現情況進行調整。

圖4 頂板卸壓孔布置圖（m）

對運輸順槽監測到危險或煤體解危爆破孔未起到應有卸壓效果的區域，在運輸順槽原有頂板爆破孔基礎上補打頂板解危爆破孔。生產幫側每組補打1 個頂板爆破孔，爆破孔與煤層層面夾角為60°，鉆孔深度為38 m，孔徑為75 mm，間距為20 m，其余參數可參照運輸順槽頂板預卸壓爆破孔。頂板解危爆破孔位置應位于原有頂板預卸壓爆破孔之間，具體施工位置根據現場施工條件、礦壓顯現情況進行調整。

（3）底板爆破

對回風順槽、運輸順槽監測到危險或底板出現異常底鼓的區域補打底板爆破孔。回風順槽、運輸順槽底板兩底角每組布置2 個底角爆破孔，爆破孔與煤層層面夾角為45°，鉆孔深度為11 m，孔徑為75 mm，鉆孔間排距均為5 m，如圖5。爆破孔參數可參照留底煤區域底板爆破孔。對于已實施底板爆破孔的位置，解危底板爆破孔位置應位于原有預卸壓底板爆破孔之間，具體施工位置根據現場施工條件、礦壓顯現情況進行調整。

圖5 底板卸壓孔布置圖（m）

通過綜合分析礦井地質條件、施工工藝、技術資料，結合現場實際，制定針對有沖擊危險的區域采取的預卸壓措施，并及時利用沖擊地壓監測手段對其監測檢驗治理效果。通過實踐，該針對性防治措施能有效解決來壓強度過大問題，使得4105 工作面沖擊地壓危險性顯著降低。

表1 爆破卸壓前后能量事件及來壓強度對比

4 結論

（1）通過對4105 工作面概況的分析，確定了4105 工作面沖擊地壓主控因素包括：堅硬頂板和局部區域由地質（斷層、賦存變化等）和開采條件（煤柱、底煤、硐室等）導致的高應力異常。

（2）依據4#煤試樣的平均單軸抗壓強度為22.62 MPa，確定了50 MPa 為4105 工作面發生沖擊的臨界壓力。

（3）根據4105 工作面沖擊地壓主控因素與誘發機理，遵循4105 工作面沖擊地壓防治原則，制定了4105 工作面沖擊地壓防治措施。通過實踐，該針對性防治措施能有效解決來壓強度過大問題，使得4105 工作面沖擊地壓危險性顯著降低。