崔木煤礦動靜載聯(lián)合作用下沖擊地壓防治技術(shù)

林　青，縱　峰，李　根，王　濤，秦子晗

(1.陜西永隴能源開發(fā)建設(shè)有限責任公司，陜西 寶雞 721000；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

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崔木煤礦動靜載聯(lián)合作用下沖擊地壓防治技術(shù)

林青1，縱峰1，李根1，王濤1，秦子晗2

(1.陜西永隴能源開發(fā)建設(shè)有限責任公司，陜西 寶雞 721000；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

針對崔木煤礦21306工作面在掘進和回采期間頻繁發(fā)生沖擊顯現(xiàn)的問題，通過數(shù)值模擬和微震監(jiān)測，確定了崔木煤礦沖擊地壓發(fā)生的動靜載主控因素，并提出了相對應(yīng)的防治措施。研究結(jié)果表明：采掘工作面靜載荷主要來源于側(cè)向支承壓力、超前支承壓力和構(gòu)造應(yīng)力三者疊加，而堅硬厚層頂板的活動斷裂為主要動載荷源，動靜載荷聯(lián)合作用時極易發(fā)生沖擊地壓?；诖?，從降低煤體內(nèi)的集中高應(yīng)力和避免頂板懸頂兩個方面著手，制定了大孔徑鉆孔卸壓和頂板深孔預(yù)裂爆破相結(jié)合的防治方案，實施結(jié)果表明通過對兩種載荷采取對應(yīng)措施，有效降低了沖擊危險，保障了21306工作面的安全回采。

動靜載；沖擊地壓；頂板預(yù)裂；大孔徑鉆孔

1　工程概況

崔木煤礦位于陜西省麟游縣境內(nèi)，主采煤層為延安組3號煤層，當前工作面埋深超過600m。3號煤層平均厚度16.89m，傾角6°，煤層直接頂為粉砂巖、細中粒砂巖，平均厚度約10.3m，基本頂為粉粗砂巖和粉中砂巖，厚度3.7～22.6m，煤層上方存在多層堅硬厚層頂板，經(jīng)鑒定頂板具有弱沖擊傾向性。礦井采用綜采放頂煤走向長壁后退式開采，頂板管理方法為全部垮落法。

崔木煤礦在掘進及回采巷道多次發(fā)生動力顯現(xiàn)，巷道炸幫炸頂嚴重，頂?shù)装宥啻纬霈F(xiàn)瞬間變形，造成巷道內(nèi)設(shè)備損壞，給礦井的正常生產(chǎn)及工人人身安全帶來巨大威脅。因此，根據(jù)崔木煤礦自身條件，分析了崔木煤礦沖擊地壓發(fā)生特點及影響因素，并依此提出了相應(yīng)的防治對策。

2　沖擊地壓發(fā)生特征

當前崔木煤礦沖擊顯現(xiàn)主要集中于21306工作面。21306工作面位于花園陽坡向斜東翼，東部緊靠21305工作面采空區(qū)，區(qū)段煤柱寬度為36m，西側(cè)靠近井田煤層露頭，南至中央3條主要大巷。工作面走向長度1517m，傾向長度150m。圖1所示為21306工作面平面布置。

圖1　21306工作面平面布置

21306工作面在掘進期間曾多次發(fā)生沖擊動力顯現(xiàn)，其中最嚴重的一次沖擊發(fā)生在機巷，造成50m范圍內(nèi)機巷頂板整體離層下沉，下沉量約0.5m，該范圍頂板錨桿全部失效，底板鼓起約0.6m，巷道破壞嚴重。通過對21306采掘期間多次沖擊現(xiàn)象的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)該工作面沖擊地壓的發(fā)生具有如下特點：

(1)發(fā)生地點位于迎頭后方或工作面前方。

(2)表現(xiàn)特征煤炮聲響、底鼓明顯、頂板下沉、錨桿錨索崩斷。

(3)周圍環(huán)境發(fā)生位置大部分都位于向斜軸部附近和鄰近采空區(qū)巷道。

3　沖擊地壓主控因素分析

根據(jù)沖擊啟動理論[1]，沖擊地壓啟動的能量來源主要分為兩類，即采動圍巖近場系統(tǒng)內(nèi)靜載荷和遠場系統(tǒng)外動載荷。結(jié)合崔木煤礦工作面現(xiàn)狀，采掘期間，靜載荷主要為構(gòu)造應(yīng)力場及采動應(yīng)力場在采場圍巖內(nèi)形成的集中高應(yīng)力；而動載荷則主要來自煤層上方厚硬巖層破斷、滑移產(chǎn)生的沖擊載荷[2-4]。

3.1靜載荷影響分析

根據(jù)21306工作面周邊情況，利用FLAC3D軟件進行建模分析。由于工作面較長，因此該模型進行了簡化，主要模擬了沿空巷道、泄水巷、外段風巷等區(qū)域的應(yīng)力分布情況，如圖2所示。

圖2　工作面回采期間應(yīng)力分布

從圖2中可以看出，在工作面開采初期，位于21305采空區(qū)邊緣的煤柱、機巷兩幫以及鄰近泄水巷區(qū)域均為高應(yīng)力集中區(qū)域。隨著工作面回采，21305采空區(qū)產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力與21306工作面超前支承壓力相互疊加，從而造成21306機巷區(qū)域的高應(yīng)力集中，一旦超過煤巖極限強度，很容易導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生。

另外，根據(jù)圖1可以看出，21306工作面風巷鄰近花園陽坡向斜軸部，受構(gòu)造應(yīng)力影響明顯，在回采過程中，超前支承壓力與構(gòu)造應(yīng)力相互疊加，也增加了沖擊地壓發(fā)生的危險性。

3.2動載荷影響分析

根據(jù)21306工作面鉆孔資料分析，在煤層上方30～40m的位置，均賦存有一層18m左右的細-粗粒砂巖，致密堅硬。隨著開采面積的加大，采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)的形態(tài)和運動將對周邊巷道礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生顯著影響，一方面采空區(qū)頂板懸頂造成邊緣煤體內(nèi)支承壓力的增加，另一方面頂板的垮斷產(chǎn)生的動載將成為沖擊地壓的誘發(fā)因素[5]。

為了分析21306工作面動載荷分布特征，對采掘過程中的微震事件進行統(tǒng)計分析，如圖3和圖4所示，其中圖3為21306機巷掘進期間微震分布情況，圖4為21306工作面回采初期微震事件分布情況。

圖3　掘進初期微震事件分布

圖4　回采初期微震事件分布

從圖3中可以看出，掘進期間，微震事件主要分布在沿空煤柱內(nèi)及采空區(qū)內(nèi)。表明由于21305工作面回采結(jié)束不久，頂板活動還未穩(wěn)定，而在采空區(qū)頂板作用下，側(cè)向煤柱承載較高的應(yīng)力，并不斷發(fā)生煤巖破裂活動。

從圖4中看出，在21306工作面回采期間尤其是初次見方之后，大能量事件(100kJ以上)開始增加，并且主要分布在工作面及工作面超前區(qū)域，表明采動影響下，采場圍巖開始出現(xiàn)大范圍的破裂，頂板垮落高度向上發(fā)展，并波及上方堅硬頂板，造成頂板的垮斷，從而釋放瞬時動載，造成超前巷道內(nèi)沖擊頻現(xiàn)。

3.3動靜載聯(lián)合影響分析

促成沖擊地壓啟動的可以是靜載荷，也可以是動載荷，但是從根本上講，都是系統(tǒng)內(nèi)靜載荷超過了煤巖體的極限強度而發(fā)生沖擊。動載荷如果參與，只是使靜載荷增加，而不可能跳過靜載荷直接在巷道空間釋放動能[6-7]。

根據(jù)前述模擬及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，21306工作面受向斜構(gòu)造影響，巷道圍巖中的原巖應(yīng)力遠高于其他區(qū)域。而鄰近的21305工作面剛回采結(jié)束不久，采空區(qū)頂板對側(cè)向煤體持續(xù)加載，臨空寬煤柱靜載荷水平逐漸升高，同時受本工作面采動應(yīng)力影響，工作面圍巖的集中靜載荷來源于構(gòu)造應(yīng)力、側(cè)向支承壓力和超前支承壓力，三者相互疊加，出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。而隨著21306采空范圍增加，上方堅硬頂板巖層的突然垮斷產(chǎn)生的集中動載以彈性波形式傳遞，當傳遞至高應(yīng)力區(qū)時，造成煤體應(yīng)力超過巷道圍巖所能承受的臨界水平，從而造成沖擊地壓。

4　工作面沖擊地壓防治措施

通過對崔木煤礦21306工作面動靜載聯(lián)合作用的分析，在進行沖擊地壓防治時，應(yīng)從降低煤體內(nèi)的集中高應(yīng)力和避免頂板大面積懸頂兩個方面著手，為此提出采用大孔徑鉆孔卸壓和頂板深孔預(yù)裂爆破相結(jié)合的沖擊地壓防治手段。

4.1煤體高應(yīng)力卸壓技術(shù)

在21306工作面回采巷道兩幫布置大孔徑鉆孔進行卸壓，鉆孔深度15m，封孔長度2.4m，鉆孔高度1.2m，兩幫間距均為1.6m。第一個鉆孔距離工作面10m施工，依此循環(huán)，巷道兩幫鉆孔布置如圖5所示。

圖5　巷道幫部卸壓鉆孔示意

對于底煤超過2m的巷道區(qū)域施工底板大孔徑卸壓孔，在煤柱一側(cè)的幫部底角處，按間距1.6m，垂直于煤幫斜向下60°施工，卸壓孔深度施工至煤層底板，孔徑133mm，布置如圖6所示。

圖6　巷道底板卸壓鉆孔示意

4.2頂板深孔預(yù)裂技術(shù)

若工作面上方存在堅硬難冒頂板，采用深孔預(yù)裂爆破進行處理，能夠降低頂板垮斷產(chǎn)生的沖擊動載荷。同時，為避免21305采空區(qū)側(cè)向懸頂影響，對機巷側(cè)向頂板進行爆破處理。頂板施工爆破孔分別在工作面機巷與高位巷進行施工，爆破孔直徑94mm，藥卷直徑75mm，本工作面爆破孔3個一組，側(cè)向爆破孔1個一組，處理巖層高度40m，循環(huán)步距15m，組內(nèi)孔間距2m。爆破孔布置及具體參數(shù)見圖7和表1。

圖7　頂板預(yù)裂爆破孔布置

位置序號深度/m傾角/(°)方位角/(°)裝藥長度/m封孔長度/m機巷A-149532702425A-263372703625A-379282705425C-15055112525高抽巷B-15153902625B-26540904025B-38231905725

4.3施工情況及效果

21306工作面回采過程中機、風巷兩幫分別施工大孔徑鉆孔673個和1301個；巷道施工的側(cè)向頂板預(yù)裂孔76個；本工作面頂板預(yù)裂孔140個。上述措施分別針對煤體內(nèi)高應(yīng)力和頂板懸頂情況進行了有效卸壓解危，取得了良好的效果，至21306工作面回采結(jié)束，未發(fā)生人員傷亡和設(shè)備損壞的沖擊地壓事故，保證了工作面的安全回采。

5　結(jié)　論

通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，分析了崔木煤礦21306工作面動靜載荷對沖擊地壓的影響，針對兩種載荷源制定了防沖措施，通過實施保障了工作面的安全回采，主要結(jié)論如下：

(1)崔木煤礦21306工作面采掘期間頻繁發(fā)生沖擊動力現(xiàn)象的原因主要為構(gòu)造應(yīng)力、側(cè)向支承壓力和超前支承壓力3種靜載相互疊加，回采過程中上覆堅硬頂板的懸頂及垮斷時加劇了高應(yīng)力的集中程度，并起到誘發(fā)作用。

(2)從降低煤體內(nèi)的集中高應(yīng)力和降低頂板動載兩個方面著手，21306工作面針對煤體內(nèi)應(yīng)力集中采取大孔徑鉆孔卸壓，針對上方堅硬頂板采取了本工作面深孔預(yù)裂和側(cè)向頂板預(yù)裂爆破，通過防沖措施的實施，采掘工作面未發(fā)生一起設(shè)備損壞或人員傷亡的沖擊事故，有效保障了安全生產(chǎn)。

[1]潘俊鋒，寧宇，毛德兵，等.煤礦開采沖擊地壓啟動理論[J].巖石力學與工程學報，2012，31(3)：586-596.

[2]何江，竇林名，蔡武，等.薄煤層動靜組合誘發(fā)沖擊地壓的機制[J].煤炭學報，2014，39(11)：2177-2182.

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[責任編輯：李青]

Rock Burst Prevention Technology under Combined Action of Dynamic and Static Loading in Cuimu Coal Mine

LIN Qing1，ZONG Feng1，LI Gen1，WANG Tao1，QIN Zi-han2

(1.Shaanxi Yonglong Energy Development & Construction Co.，Ltd.，Baoji 721000，China；2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

To the problem of more frequent rock burst during driving and mining of 21306 working face in Cuimu coal mine，based on numerical simulation and microseismic monitoring，the dynamic and static loading main factors of rock burst of Cuimu coal mine were determined，and the corresponding measures were put forward.The studying results showed that the main source of working face dynamic and static loading were side direction abutment pressure，advanced abutment pressure and tectonic stress overlay，the harden and thickness roof broken was the main dynamic loading source，rock burst appeared easily under combined action of dynamic and static loading.The combined prevention method that include large diameter hole pressure relief and deep hole presplitting and blasting in roof was put forward under two sides，which include decrease concentration high stress of coal and avoid hanging roof.The practical showed that rock burst risk decreased obviously according corresponding measures of two different loading，and mining safety of 21306 working face was guaranteed.

dynamic and static loading；rock burst；roof presplitting；large diameter hole

2016-06-03

國家自然科學基金資助項目(51574149)；天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部科技創(chuàng)新基金資助項目(KJ-2015-TDKC-11)

林青(1970-)，男，安徽滁州人，高級工程師，現(xiàn)任崔木煤礦礦長，主要從事煤礦管理工作。

TD324.2

A

1006-6225(2016)05-0086-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.024

[引用格式]林青，縱峰，李根，等.崔木煤礦動靜載聯(lián)合作用下沖擊地壓防治技術(shù)[J].煤礦開采，2016，21(5)：86-88，110.