急傾斜特厚煤層沖擊地壓防治技術(shù)實(shí)踐研究

王 建，杜濤濤，劉旭東，藍(lán) 航

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊830084;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

1 礦井概況

烏東煤礦井田面積約20.28km2，地質(zhì)資源量1.32Gt，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量0.694Gt。B1+2煤和 B3+6煤為全區(qū)可采的2層巨厚煤層，布置了B1+2工作面和B3+6工作面，B1+2煤層平均厚度37.45m，B3+6煤層位于B1+2煤層北部，與B1+2煤層相距53～110m，煤層平均厚度48.87m，兩煤層傾角平均88°，工作面采用水平分層綜采放頂煤后退式回采方式，階段高度為25m，全部垮落法處理頂板。

2 急傾斜特厚煤層沖擊地壓發(fā)生原因

2.1 沖擊地壓發(fā)生情況

2013年7月2日5點(diǎn)08分，烏東煤礦+500m水平B3+6綜放工作面發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)。+500m水平 B3巷沖擊顯現(xiàn)范圍1070～1450m，其中，1265～1365m范圍內(nèi)顯現(xiàn)較嚴(yán)重，巷道南幫底角出現(xiàn)底鼓，底鼓量200～450mm，北幫懸掛的電纜掉落，南幫錨桿位移，位移量100～250mm，托盤崩脫，“U”型鋼棚收縮，收縮量400mm，巷道幫鼓量達(dá)到500mm。+500m水平B6巷沖擊地壓顯現(xiàn)范圍1066～1272m，其中，1066～1100m范圍內(nèi)沖擊地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，該范圍內(nèi)巷道南幫幫鼓，幫鼓量500～900mm，南幫底角底鼓，底鼓量 200～500mm，南幫高壓電纜接線盒掉落，膠帶H架輕微變形。+475m水平B6巷沖擊地壓顯現(xiàn)影響范圍1080～1203m，該范圍內(nèi)巷道南幫底鼓，底鼓量150～300mm，南幫出現(xiàn)不同程度的變形，變形量300mm。

2.2 沖擊地壓發(fā)生原因

(1)地質(zhì)因素 根據(jù)煤巖層沖擊傾向性鑒定結(jié)果，烏東煤礦B3+6煤屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的煤層，該煤層頂板巖層應(yīng)屬Ⅱ類，為具有弱 (偏向于強(qiáng))沖擊傾向性的頂板巖層。

+500m水平B3+6工作面平均埋深350m，其底板為53～110m的厚層巖柱，頂板也是厚層巖層，煤巖自身沖擊傾向性、埋深及頂?shù)装鍘r層結(jié)構(gòu)是沖擊地壓發(fā)生的必要條件［1－2］。

(2)開采技術(shù)因素 +500m水平為回采水平，+475m水平為掘進(jìn)水平，因礦井單翼布置工作面，不可避免出現(xiàn)采掘相向的影響;水平分段高度為25m，煤層傾角88°，屬于近直立的急傾斜煤層，類似開采條件的礦井發(fā)生過嚴(yán)重沖擊地壓案例［3－4］。礦井采掘期間主要在切眼煤柱、廢棄礦井煤巖柱、老礦井倉(cāng)儲(chǔ)式開采遺留煤柱、停采線煤柱區(qū)域礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，前期缺少有效監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)，初步分析開采技術(shù)因素是誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生的主要因素。

(3)危險(xiǎn)源辨識(shí) 為辨識(shí)水平分段綜放開采的主要危險(xiǎn)源，采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)采礦誘發(fā)圍巖活動(dòng)。按微震事件不同能量等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，其中，等級(jí)Ⅰ:0～103J;等級(jí)Ⅱ:103～104J;等級(jí)Ⅲ:104～105J;等級(jí)Ⅳ:105～106J;等級(jí)Ⅴ:106～107J;等級(jí)Ⅵ:107～108J;等級(jí)Ⅶ:108J以上。

圖1 微震事件能量等級(jí)

綜合分析現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)與不同能量級(jí)的關(guān)系，分析得到誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)的主要是高能事件，即能量等級(jí)IV～等級(jí)VII的事件，約占微震事件的8%。

圖2所示為高能微震事件不同區(qū)域分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果。高能量事件主要分布在B2－B3巖柱中，近百米厚的巖柱是高能量事件產(chǎn)生的主要區(qū)域，是導(dǎo)致沖擊地壓顯現(xiàn)的主要危險(xiǎn)源。

圖2 高能量事件分布

3 急傾斜特厚煤層沖擊地壓防治實(shí)踐

確定了B2－B3煤層巖柱活動(dòng)是影響沖擊地壓的主要危險(xiǎn)源，因此急傾斜特厚煤層沖擊地壓防治重點(diǎn)是控制B2－B3煤層巖柱劇烈活動(dòng)，但急傾斜特厚煤層頂?shù)装逄幚砩袩o成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒，需通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究急傾斜特厚煤層巖層控制技術(shù)。

根據(jù)地表觀測(cè)結(jié)果可知，B2－B3巖柱垂直方向未出現(xiàn)斷裂，形成數(shù)百米高近似垂直巖層，該巖層破裂過程容易失穩(wěn)產(chǎn)生高能量事件，并以動(dòng)載荷作用施加到工作面煤體引起沖擊顯現(xiàn)，主要從以下2個(gè)方面開展現(xiàn)場(chǎng)防沖實(shí)踐［5－7］:

(1)空間結(jié)構(gòu)破斷防沖 沿巖層的一定高度進(jìn)行空間預(yù)裂，采用地面深孔預(yù)裂爆破切斷巖層的活動(dòng)影響范圍和降低能量的積聚。一方面降低大范圍的巖層活動(dòng)對(duì)工作面回采的影響，另一方面降低懸頂長(zhǎng)度，減少巖層的彎曲彈性變形能的積聚和釋放。

(2)強(qiáng)度弱化防沖 實(shí)施注水軟化回采空間周圍巖層，降低巖層的強(qiáng)度。一方面釋放巖層積聚的彈性應(yīng)變能，另一方面減弱高能量事件產(chǎn)生的動(dòng)載作用［8］。

3.1 地面爆破現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

(1)爆破位置 如圖3所示，根據(jù)地面垮落和工作面危險(xiǎn)區(qū)域防治需要，地面沿B2－B3巖柱傾向方向布置，對(duì)應(yīng)1400m石門位置處。

(2)鉆孔施工 使用潛孔鉆機(jī)施工4個(gè)爆破孔，爆破孔底標(biāo)高為+600m水平 (地面標(biāo)高+850m水平)，爆破孔直徑300mm，孔深250m，炮孔角度90°，孔間距10m。

(3)裝藥及爆破 爆破采用單孔分2段裝藥、4個(gè)孔一次性爆破的方式，炸藥采用乳膠基質(zhì)炸藥。每個(gè)孔分2段裝藥，每段裝藥長(zhǎng)度60m，裝藥量5760kg，孔間由木樁填塞。

圖3 地面爆破孔布置示意

(4)效果檢驗(yàn) 圖4為采用PASAT－M便攜式微震儀對(duì)巖柱應(yīng)力的探測(cè)結(jié)果，探測(cè)區(qū)域其他條件基本一致，巖體動(dòng)態(tài)應(yīng)力與地震波波速大小成正比，震動(dòng)波波速高的區(qū)域相應(yīng)的應(yīng)力也就越大。地面爆破前，巖柱應(yīng)力集中影響區(qū)域大，應(yīng)力集中程度高;地面爆破后，巖柱測(cè)區(qū)平均波速由原來的3.8m/ms降為3.6m/ms，巖柱高應(yīng)力集中影響范圍及集中程度明顯降低。因此，地面爆破改善了巖柱應(yīng)力分布，降低了巖柱整體的應(yīng)力水平與巖柱的整體性。

圖4 地面爆破前后PASAT－M探測(cè)結(jié)果

3.2 巖層注水現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

(1)鉆場(chǎng)布置 為了注水弱化堅(jiān)硬巖層，在+500m水平B2巷1355m處開口，垂直巷道幫沿巖體傾向施工石門和鉆場(chǎng)。石門長(zhǎng)度20m，斷面4m2，鉆場(chǎng)斷面18m2。

(2)注水參數(shù) 如圖5所示，在硐室東西兩側(cè)沿巖柱走向兩側(cè)各布置2個(gè)注水孔，注水孔角度9°和80°，孔徑113mm，1號(hào)孔長(zhǎng)度192m，2號(hào)孔長(zhǎng)度105m，3號(hào)孔長(zhǎng)度114m，4號(hào)孔長(zhǎng)度299m。封孔長(zhǎng)度15m，用馬麗散封孔。1號(hào)注水孔水壓達(dá)到8MPa左右時(shí)，在1320m處出現(xiàn)漏水現(xiàn)象后停止注水，注水歷時(shí)2d。2號(hào)注水孔水壓達(dá)到8MPa左右時(shí)，石門淋水較大，故停止注水，注水歷時(shí)1d。3號(hào)孔注水壓力達(dá)到12MPa，持續(xù)2d后水壓降到7MPa左右，3d后停止注水。4號(hào)孔注水壓力達(dá)到12MPa，持續(xù)2d后水壓降到8MPa左右，8d后停止注水。

圖5 巖柱石門注水孔布置

(3)效果檢驗(yàn) 圖6為微震監(jiān)測(cè)巖柱注水前后的微震事件頻次分布，反映了巖柱整體活動(dòng)劇烈程度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明:注水前巖柱高能事件頻發(fā)，注水后高能量事件有效降低，巖柱的能量得到有效釋放;注水后，低能量等級(jí)微震事件上升，高能量等級(jí)微震事件降低，說明注水有效降低了巖柱活動(dòng)的劇烈程度。

圖6 巖柱注水前后的微震事件頻次分布

4 結(jié)論

烏東煤礦沖擊顯現(xiàn)發(fā)生后，綜合利用空間結(jié)構(gòu)破斷和強(qiáng)度弱化防沖思想，開展了巖柱地面深孔預(yù)裂爆破和注水軟化現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。實(shí)踐表明，巖柱地面爆破可以有效改善應(yīng)力分布和降低巖柱中的應(yīng)力集中程度;注水也可以有效釋放巖柱能量和降低巖柱活動(dòng)強(qiáng)烈程度。但目前針對(duì)急傾斜特厚煤層沖擊地壓的防治技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究較少，形成有效、經(jīng)濟(jì)的控制技術(shù)任重道遠(yuǎn)。

［1］竇林名，何學(xué)秋.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［2］齊慶新，竇林名.沖擊地壓理論與技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

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