近距離煤層開采沖擊地壓防治技術(shù)研究

劉 鵬曲延倫劉寶亮

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司南屯煤礦，山東省鄒城市，273500；2.兗州煤業(yè)股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，山東省鄒城市，273500）

★ 煤炭科技·開拓與開采★

近距離煤層開采沖擊地壓防治技術(shù)研究

劉 鵬1曲延倫2劉寶亮1

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司南屯煤礦，山東省鄒城市，273500；2.兗州煤業(yè)股份有限公司生產(chǎn)技術(shù)部，山東省鄒城市，273500）

南屯煤礦的3上、3下煤層間距2～13 m，3上煤層開采中受巨厚紅層初次斷裂影響引發(fā)強(qiáng)礦震，并誘發(fā)采場(chǎng)形成沖擊災(zāi)害，且在3下煤層開采中仍發(fā)生強(qiáng)礦震。分析了開采3下煤層上覆巖層的冒落和移動(dòng)規(guī)律，得出3下煤層采動(dòng)引發(fā)礦震的機(jī)理。依據(jù)礦震誘發(fā)沖擊機(jī)理，通過采取優(yōu)化采面開采布局、減小采動(dòng)對(duì)沖擊危險(xiǎn)區(qū)擾動(dòng)和優(yōu)化巷道支護(hù)體參數(shù)等措施，有效地保證了被解放層采場(chǎng)的作業(yè)安全，實(shí)現(xiàn)了安全開采。

近距離煤層開采 被解放層 巨厚巖層 礦震 沖擊地壓

煤層群賦存條件下的沖擊危險(xiǎn)性煤礦，通過開采解放層進(jìn)行區(qū)域防沖，對(duì)于相鄰煤層的開采能夠起到卸壓作用，從而降低工作面沖擊危險(xiǎn)性。南屯煤礦3上煤層與3下煤層距離較近，而其覆巖賦存一層厚度近200 m的堅(jiān)硬紅層，在3上煤層工作面實(shí)施了解放層開采后，3下煤層工作面開采時(shí)微震監(jiān)測(cè)顯示局部集聚大量能量，導(dǎo)致工作面發(fā)生沖擊?；趧?dòng)力學(xué)理論，煤層上覆堅(jiān)硬紅層是覆巖結(jié)構(gòu)中的主關(guān)鍵層，對(duì)工作面直到地表的穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用，受3上煤層與3下煤層工作面多次采動(dòng)影響，主關(guān)鍵層發(fā)生運(yùn)動(dòng)、破斷，致使工作面發(fā)生沖擊性礦震。

以南屯煤礦九采區(qū)3下煤層工作面開采為例，分析二次采動(dòng)對(duì)上覆巨厚堅(jiān)硬紅層的擾動(dòng)影響規(guī)律，揭示重復(fù)開采誘發(fā)覆巖主關(guān)鍵層再次運(yùn)動(dòng)、破斷的機(jī)理。基于此，確定3下煤層工作面的應(yīng)力影響區(qū)域、圍巖薄弱區(qū)和支護(hù)結(jié)構(gòu)等，通過優(yōu)化工作面開采設(shè)計(jì)方案、改變巷道結(jié)構(gòu)形狀、提高巷道支護(hù)強(qiáng)度、控制工作面開采速度等措施，有效控制近距離煤層重復(fù)開采過程中沖擊災(zāi)害事故的發(fā)生。

1　開采條件

1.1工程概況

南屯煤礦九采區(qū)主采3上、3下兩層煤，3上煤層工作面作為解放層現(xiàn)行開采，目前3上煤層布置的11個(gè)綜采工作面已經(jīng)全部回采結(jié)束，3下煤層93下01、93下03、93下05、93下16、93下14、93下12工作面也已回采結(jié)束，93下10工作面正在回采。3上與3下煤層工作面編號(hào)相對(duì)應(yīng)，同層區(qū)段之間留設(shè)3～4 m小煤柱，近似無(wú)煤柱開采。采區(qū)中部留設(shè)寬為220 m的煤柱，保護(hù)-440 m水平3條準(zhǔn)備巷道。九采區(qū)煤層采深在491～655 m，平均埋深550 m。3上煤層平均開采厚度約為5.2 m，3下煤層平均開采厚度約為3.2 m，煤層傾角約為5°。3上與3下煤層層間距在2～13 m之間，平均為5.6 m，巖性為粉砂巖，層間距離由采區(qū)的東南部向采區(qū)的西北部緩慢增加。兩層煤具有強(qiáng)沖擊傾向，頂板巖層具有弱沖擊傾向。九采區(qū)3上、3下煤層及頂板巖層分布見圖1。

圖1　九采區(qū)3上、3下煤層及頂板巖層分布

根據(jù)關(guān)鍵層理論計(jì)算可知，九采區(qū)3上煤層以上110 m賦存的厚度200 m的堅(jiān)硬紅層砂巖是主關(guān)鍵層，堅(jiān)硬砂巖的變形、運(yùn)動(dòng)、破斷對(duì)工作面至地表巖層的運(yùn)動(dòng)起到關(guān)鍵作用。

1.23上煤層開采礦震特征及地表沉降規(guī)律

在3上煤層工作面開采過程中巨厚紅層砂巖斷裂形成了不規(guī)律的大能量微震事件，尤其是93上08工作面在回采過程中采集到能量在103J以上微震事件140次，其中有27個(gè)105J以上的大能量礦震事件。

九采區(qū)3上煤層工作面開采結(jié)束后，在93上08工作面上方地表形成的最大沉降為1.531 m，地表最大沉降系數(shù)為0.29。根據(jù)地表沉陷規(guī)律分析可知，3上煤層開采后巨厚紅層發(fā)生初次斷裂，由于其位于的彎曲下沉帶僅發(fā)生了較小的位移運(yùn)動(dòng)，3上煤層的開采并未造成巨厚紅層砂巖層達(dá)到垮落極限。因此，在近距離3下煤層開采中將繼續(xù)成為上覆巖層的承載主體。

1.33下煤層回采礦震特征

93下12工作面回采期間累計(jì)采集到能量103J以上的微震事件27次，其中有3次能量105J以上的大能量微震事件，大能量微震基本分布工作面采空區(qū)邊緣，這主要是由于采空區(qū)邊緣非穩(wěn)定覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所致。

雖然，93下12工作面回采是在其上覆3上解放層工作面回采后進(jìn)行的，但回采期間能量106J以上事件仍然出現(xiàn)，并在工作面局部位置礦壓顯現(xiàn)劇烈，如頂板錨索被剪斷和拉斷、超前單體液壓支柱扭曲和折斷等現(xiàn)象。

2　沖擊地壓機(jī)理分析

基于上述九采區(qū)微震監(jiān)測(cè)信息及礦震特征，九采區(qū)3上煤層工作面回采使得上覆巖層的亞關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)，低位巖層破斷使得其與主關(guān)鍵層發(fā)生離層，主關(guān)鍵層內(nèi)應(yīng)力急劇增加，一旦發(fā)生變形極易破斷釋放大量能量。3上煤層回采誘發(fā)上覆堅(jiān)硬砂巖破斷具有以下規(guī)律。

主關(guān)鍵層-巨厚堅(jiān)硬砂巖在工作面回采過程巖層失穩(wěn)時(shí)釋放大量能量，說明該巖層強(qiáng)度高、完整性好，具備積聚能量的能力；而大能量時(shí)間分布未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，說明該砂巖材料具有非均勻性，導(dǎo)致其破斷后塊體形狀的非均勻性。

3下煤層的采動(dòng)相對(duì)于3上煤層開采時(shí)對(duì)頂板活動(dòng)的影響范圍增加，增加3.2 m的采空空間，必然引起上覆巖層的二次冒落、破斷，誘發(fā)高位的關(guān)鍵層砂巖再次運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)，產(chǎn)生礦震影響工作面的穩(wěn)定。

3下煤層工作面回采時(shí)，低位巖層冒落后與上覆高位巖層間出現(xiàn)離層空間，關(guān)鍵層達(dá)到極限破斷強(qiáng)度后巖塊破斷為兩塊，巖塊間通過水平推力產(chǎn)生的摩擦力克服巖塊間的剪切力，一旦水平推力形成的摩擦力小于剪切力，關(guān)鍵層將發(fā)生滑落失穩(wěn)。關(guān)鍵層劇烈運(yùn)動(dòng)以動(dòng)載荷的形式加載到工作面附近巖層導(dǎo)致工作面發(fā)生沖擊。巨厚堅(jiān)硬砂巖在釋放能量過程中內(nèi)部裂紋逐漸擴(kuò)展、連通，在裂紋尖端形成應(yīng)力集中，一旦大量的剪切裂紋連通將會(huì)使砂巖發(fā)生二次剪切破斷導(dǎo)致礦震發(fā)生。

當(dāng)工作面在采區(qū)邊緣及保護(hù)煤柱附近開采時(shí)，采動(dòng)作用下覆巖破斷頂板與周圍已經(jīng)破斷后穩(wěn)定的頂板再次形成非穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，礦壓顯現(xiàn)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。關(guān)鍵層在采區(qū)邊界及煤柱處的支反力等于巖層自重與上覆荷載之和，當(dāng)3下工作面回采期間使得支反力減小，同時(shí)巖層上覆荷載增加，上覆關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)需要的水平推力和所需的支反力均達(dá)不到原平衡條件所需的量值，故結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，向下運(yùn)動(dòng)釋放能量，極易形成礦震，導(dǎo)致下位亞關(guān)鍵層發(fā)生沖擊。

3　沖擊地壓防治技術(shù)

根據(jù)九采區(qū)3下煤層工作面開采誘發(fā)礦震的機(jī)理分析，上覆堅(jiān)硬紅層砂巖失穩(wěn)產(chǎn)生礦震將會(huì)波及到附近工作面。因此，必須首先需要確定工作面的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，然后進(jìn)行工作面布局優(yōu)化和巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化等。根據(jù)九采區(qū)特殊的開采地質(zhì)條件和開采經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為可能的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域包括3上煤層采空區(qū)邊緣高應(yīng)力區(qū)、各種留設(shè)煤柱內(nèi)的高應(yīng)力區(qū)及3下煤層巷道支護(hù)強(qiáng)度薄弱部位。

根據(jù)確定的危險(xiǎn)區(qū)域，并結(jié)合礦震發(fā)生特征進(jìn)行了工作面開采布局優(yōu)化、減小開采對(duì)沖擊危險(xiǎn)區(qū)擾動(dòng)和巷道支護(hù)體參數(shù)優(yōu)化等防沖技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

3.13下煤層工作面開采防沖方案

（1）優(yōu)化工作面開采布局，改善工作面應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境。根據(jù)3上煤層開采應(yīng)力場(chǎng)分布情況，在3下煤層開采前進(jìn)行工作面優(yōu)化布置，設(shè)計(jì)3下煤層工作面支護(hù)參數(shù)。根據(jù)3上煤層采空區(qū)邊緣側(cè)向支承壓力分布特點(diǎn)，3下煤層巷道為避開上覆巖層傳遞來的應(yīng)力集中，采取內(nèi)錯(cuò)式的巷道布置形式，下煤層工作面內(nèi)錯(cuò)于上部煤層采空區(qū)邊緣應(yīng)不小于5 m，這樣下部巷道布置在上部煤層采空區(qū)內(nèi)，相對(duì)比較穩(wěn)定。

（2）優(yōu)化巷道斷面及參數(shù)，提高巷道圍巖結(jié)構(gòu)抗沖能力。原巷道斷面為矩形，極易在巷道頂角及底腳發(fā)生大變形破壞，因此將巷道斷面優(yōu)化為梯形，減小頂板暴露寬度，減小頂板下沉。增加棚梁支護(hù)，采用礦用工字鋼，將棚梁布置于相鄰兩排錨桿間，固定于梁架上，在其頂部采用均勻背板，同時(shí)允許圍巖發(fā)生適度變形，充分發(fā)揮圍巖的支承能力。棚梁兩端距離巷幫留有一定間隙，防止兩幫承壓導(dǎo)致棚梁受壓彎曲失效。在局部巷道頂板壓力顯現(xiàn)時(shí)，增加支撐式柱腿。在兩煤層間距小于4 m區(qū)域，采用上留頂煤、下破底板巖石的方式確保頂板夾矸厚度，保證頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性。

（3）巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將圍巖由兩向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為三向受力狀態(tài)。沖擊性地層內(nèi)巷道需要圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度具有抵抗沖擊的能力。而地質(zhì)條件引起的需加強(qiáng)支護(hù)的薄弱區(qū)域有煤層相變區(qū)、斷層帶附近、巖層富水區(qū)及圍巖破碎帶。一般傳統(tǒng)的錨網(wǎng)支護(hù)在上述區(qū)域進(jìn)行支護(hù)效果較差，需要采用綜合支護(hù)技術(shù)提高圍巖強(qiáng)度，如錨網(wǎng)索+U型鋼聯(lián)合支護(hù)。

在巷道掘進(jìn)及回采期間詳細(xì)記錄危險(xiǎn)區(qū)域信息，包括地點(diǎn)、范圍、巖性描述、原支護(hù)參數(shù)、礦壓數(shù)據(jù)等，設(shè)計(jì)合理的加強(qiáng)支護(hù)方案，同時(shí)考慮回采擾動(dòng)的抵抗能力；回采期間在巷道超前段設(shè)置超前液壓支架，預(yù)防沖擊發(fā)生造成巷道損壞；嚴(yán)格控制回采速度，使工作面采空區(qū)有時(shí)間緩慢冒落，減小開采擾動(dòng)對(duì)覆巖關(guān)鍵層的影響；采用大直徑深孔頂板巖層卸壓、增設(shè)巷道防沖吸能超前液壓支架。

3.23下煤層工作面防沖技術(shù)應(yīng)用

93下10工作面為九采區(qū)第10個(gè)工作面，該工作面北部、東部為采空區(qū)，南部為-440 m下山保護(hù)煤柱，煤柱以南工作面均回采結(jié)束，故煤柱內(nèi)積聚高應(yīng)力，93下10工作面與下山煤柱形成了較大的孤島煤柱，具備發(fā)生強(qiáng)烈礦震的條件。

綜合分析工作面開采地質(zhì)條件和以往積累的開采經(jīng)驗(yàn)，制定了專門的防沖方案:優(yōu)化工作面巷道布置，考慮93下10工作面周圍采空區(qū)和下山煤柱情況，將工作面緊鄰下山煤柱側(cè)巷道內(nèi)錯(cuò)于93上10工作面采空區(qū)以里20 m；巷道設(shè)計(jì)為梯形斷面，采用錨網(wǎng)索+U型鋼聯(lián)合支護(hù)；高應(yīng)力區(qū)實(shí)施鉆孔卸壓，釋放應(yīng)力；超前支護(hù)增設(shè)超前支架，提高超前巷道抵抗沖擊能力。

工作面回采期間采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)采集工作面微震事件，經(jīng)統(tǒng)計(jì)93下10工作面回采期間累計(jì)發(fā)生了103J以上能量的微震8次，其中有3次能量在105J的微震發(fā)生在-440 m下山煤柱邊緣，工作面記錄到的最大礦震能量達(dá)到了2.0×106J，礦區(qū)震感明顯，而工作面內(nèi)發(fā)生明顯的礦壓顯現(xiàn)，這主要是巷道掘進(jìn)及回采期間采取了有效的防沖手段，保證了工作面安全開采。

4　結(jié)論

（1）南屯煤礦特有的巨厚堅(jiān)硬砂巖頂板條件使得3上和3下煤層開采時(shí)，關(guān)鍵層破斷誘發(fā)礦震，釋放的能量波及工作面附近導(dǎo)致工作面發(fā)生沖擊地壓。

（2）被解放層開采下巨厚巖層具有兩種失穩(wěn)類型引發(fā)礦震:3下煤層開采后增加了開采空間，使工作面在橫向和縱向擾動(dòng)范圍均大幅度增加，為主關(guān)鍵層提供了變形運(yùn)動(dòng)的空間，致使原平衡的梁式結(jié)構(gòu)容易發(fā)生失穩(wěn)，也使上覆關(guān)鍵層懸梁跨度增加，梁中積聚大量應(yīng)變能，一旦關(guān)鍵層失穩(wěn)將釋放大量能量，發(fā)生強(qiáng)烈礦震。

（3）針對(duì)3下工作面沖擊地壓危險(xiǎn)機(jī)理，通過優(yōu)化工作面開采設(shè)計(jì)、降低危險(xiǎn)區(qū)域的擾動(dòng)強(qiáng)度、優(yōu)化巷道斷面設(shè)計(jì)、優(yōu)化巷道支護(hù)，最終實(shí)現(xiàn)了安全回采。

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（責(zé)任編輯 張毅玲）

Research on prevention and control technology of rock burst in close distance coal seams mining

Liu Peng1，Qu Yanlun2，Liu Baoliang1
（1.Nantun Coal Mine of Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Zoucheng，Shandong 273500，China；2.Production Technology Department，Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Zoucheng，Shandong 273500，China）

The distance between the upper No.3 coal seam and lower No.3 coal seam of Nantun Coal Mine was 2-13 m，strong mine earthquakes affected by the first breakage of extra thick red bed occurred in upper No.3 coal seam，and the mine earthquakes caused rock burst disasters in working face，moreover，strong mine earthquakes also occurred in the mining of lower No.3 coal seam.The caving and moving laws of overlying rock stratum in the mining of lower No.3 coal seam were analysed，and the mechanism of mine earthquake triggered by the mining of lower No.3 coal seam was worked out.On the basis of the mechanism，through optimizing mining arrangement and roadway support parameters and decreasing the disturbance of mining on rock burst danger area were adopted，which ensured safety in production of protective coal seam and realized safety mining.

close coal seams mining，protective coal seam，extra thick rock stratum，mine earthquake，rock burst

TD324

A

劉鵬（1974-），男，山東鄒城人，工程師，主要從事煤礦采掘及沖擊地壓防治技術(shù)管理工作，現(xiàn)任南屯煤礦生產(chǎn)技術(shù)科副科長(zhǎng)、防沖辦副主任。