深部特厚煤層工作面超前沖擊危險范圍研究及其防治

董近興

（陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽713600）

目前，我國煤炭資源逐漸轉(zhuǎn)入深部開采，深部采場圍巖受“三高一擾”影響，采場圍巖所處應(yīng)力狀態(tài)不斷惡化，沖擊地壓等動力災(zāi)害越發(fā)頻繁[1]。工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及超前動壓影響范圍的確定對工作面沖擊地壓防治至關(guān)重要，作為一種礦區(qū)區(qū)域沖擊危險監(jiān)測手段，微震監(jiān)測技術(shù)在工作面礦壓顯現(xiàn)研究方面得到廣泛應(yīng)用[2]。王杰基于新巨龍礦井深部沿空工作面地質(zhì)條件，根據(jù)微震監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了工作面微震活動規(guī)律，確定了工作面開采影響范圍大致在工作面后方100 m 到工作面前方200 m 范圍內(nèi)[3]。李青鋒等對比分析了工作面回采過程中微震和支架在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù), 并結(jié)合理論分析確定了工作面周期來壓步距及關(guān)鍵層[4]。呂鵬飛等結(jié)合東灘煤礦微震監(jiān)測的震動能量、頻次特征，工作面開采速度特征以及采動應(yīng)力分布特征, 研究了礦井工作面的回采參數(shù)對微震分布的影響規(guī)律[5]。牛立生等利用微震監(jiān)測系統(tǒng)在在工作面回采前確定了工作面超前動壓影響范圍, 再根據(jù)動壓影響范圍確定了采掘安全距離[6]。本文利用礦井高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)，分析了工作面回采過程中微震超前分布特征，確定了工作面超前沖擊危險區(qū)域范圍，并結(jié)合具體地質(zhì)條件，制定了相應(yīng)了工作面超前區(qū)域卸壓解危措施，可為類似礦井回采工作面沖擊地壓防治提供借鑒。

1 工程概況

高家堡煤礦204 工作面為二盤區(qū)設(shè)計回采第四個工作面，位置如圖1 所示，西北側(cè)為已準(zhǔn)備205 工作面，東南側(cè)相隔7m煤柱為203 工作面采空區(qū)，西南側(cè)為可采邊界線，東北側(cè)為西區(qū)膠帶大巷。204 工作面設(shè)計回采長度1455m，工作面長度200m，工作面開采單一4 煤層，煤厚5.9～15.0m，平均11.0m，煤層底板標(biāo)高+72.4～+147.0m，煤層起伏較大，204 工作面走向呈向斜構(gòu)造，軸部位于底板泄水巷附近。

煤層直接頂為厚度平均為1.5m 的泥巖，老頂為厚度平均為4.2m 的粉砂巖，直接底為厚度為2.2m 的泥巖。工作面采用走向長壁后退式采煤方法，綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板，其中截至2020 年3 月204 工作面已回采1000m。

204 工作面對應(yīng)地面標(biāo)高為+943.6～+1177.7m，204 工作面埋深近1000m，由礦井最大主應(yīng)力達(dá)42 MPa，且煤層具有強(qiáng)沖擊傾向，204 工作面具有強(qiáng)沖擊危險。

204 工作面回采過程中超前工作面區(qū)域出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)，具有一定的沖擊危險性。本文利用礦井現(xiàn)有ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測工作面礦震數(shù)據(jù)，分析回采過程中工作面礦震分布情況，以明確工作面超前影響范圍，為超前卸壓解危提供依據(jù)。

圖1 204 工作面位置

2 微震活動特征

2.1 微震系統(tǒng)

高家堡煤礦2019 年5 月ARAMIS 微震監(jiān)測系統(tǒng)布置如圖2所示?？梢钥闯觯藭r微震監(jiān)測系統(tǒng)臺網(wǎng)布置能夠?qū)?04 工作面回采區(qū)域形成有效包圍，可實現(xiàn)對工作面區(qū)域礦震的精準(zhǔn)監(jiān)測，且后期根據(jù)推采進(jìn)度對臺網(wǎng)進(jìn)行了3 次優(yōu)化，確保監(jiān)測精度。

圖2 ARAMIS 微震監(jiān)測系統(tǒng)臺站布置

2.2 微震活動演化特征

2019 年5 月至2020 年3 月期間204 工作面微震平面分布情況如圖3 所示?？梢钥闯?，204 工作面微震以3 次方和4 次方事件為主，工作面微震分布隨工作面推進(jìn)而不斷向前推移，說明204 工作面區(qū)域礦震主要是采動動載導(dǎo)致。

圖3 204 工作面微震活動演化

圖4 順槽斷頂孔布置參數(shù)

圖5 扇形斷頂孔布置參數(shù)

由工作面微震演化可知，在工作面回采初期，在工作面超前支承壓力、臨近工作面采空側(cè)向支承壓力及工作面動載耦合作用下，礦震主要分布在工作面走向后方臨近采空區(qū)及走向超前300m 范圍內(nèi)；后期工作面向向斜軸部區(qū)域推進(jìn)時，微震事件超前分布范圍有所降低，在7 月31 日，微震超前分布范圍為180m；2019 年9 月，工作面回采至204 工作面措施巷區(qū)域，由于該處接近向斜軸且巷道交叉，圍巖應(yīng)力進(jìn)一步升高，在工作面動載擾動下其微震超前工作面分布范圍增大至210m；工作面過向斜軸后，在2019 年11 月31 日，工作面微震主要分布在超前160m 范圍內(nèi)；2020 年1 月，204 工作面推進(jìn)至工作面傾向煤層傾角變化區(qū)域，構(gòu)造應(yīng)力有所增加，導(dǎo)致微震超前分布范圍有所增加，為220m；2020 年3 月，雖然204 工作面仍處于煤層傾角變化區(qū)域，但是工作面開采強(qiáng)度降低僅推進(jìn)約20m，其微震超前分布范圍降低為190m。

總體而言，204 工作面微震超前分布范圍為160m-300m。在204 工作面由切眼向向斜軸部俯采及向撤面巷仰采過程中，工作面微震超前分布范圍先減小后增大，同時受巷道布置及開采強(qiáng)度影響。

3 卸壓解危措施

為保證204 工作面生產(chǎn)安全，根據(jù)第2 章工作面微震分析結(jié)果，確定工作面超前沖擊危險區(qū)域范圍為300m，結(jié)合204 工作面地質(zhì)條件，現(xiàn)場在超前工作面300m 區(qū)域采取了大直徑鉆孔+煤體爆破+頂板深孔預(yù)裂爆破的工作面卸壓解危措施。

3.1 幫部大直徑鉆孔卸壓

大直徑鉆孔垂直于煤幫，運(yùn)輸順槽側(cè)間距1m，回風(fēng)順槽側(cè)間距2m，孔徑150mm，孔深為30m。

3.2 煤體爆破

現(xiàn)場監(jiān)測204 工作面超前區(qū)域運(yùn)輸順槽側(cè)礦壓顯現(xiàn)較為明顯，在204 工作面運(yùn)輸順槽側(cè)超前300m 范圍內(nèi)實施煤體爆破，煤體爆破鉆孔垂直于巷幫布置，鉆孔直徑為Φ44mm，孔深不小于15m，孔間距5m，鉆孔距煤層底板1.0～1.5m，裝藥5.0kg，封孔長度大于5m，采用正向連續(xù)裝藥，連線方式為串聯(lián)，正向一次起爆，毫秒延期電雷管起爆。

3.3 頂板深孔預(yù)裂爆破

為切斷深部堅硬頂板應(yīng)力傳遞途徑，204 工作面超前進(jìn)行頂板深孔預(yù)裂爆破。

3.3.1 順槽斷頂孔

在巷道頂板中部單排布置，爆破孔間距設(shè)置為5m，傾角55°，孔深52m，鉆孔直徑為Φ85mm，裝藥量不少于30kg，封孔不低于孔深的1/3，采用正向連續(xù)裝藥，連線方式為串聯(lián)，正向一次起爆，毫秒延期電雷管起爆，布置參數(shù)如圖4所示。

3.3.2 工作面扇形斷頂孔

204 工作面超前300m 區(qū)域?qū)嵤┥刃晤A(yù)裂爆破孔，預(yù)裂爆破孔組間距20m，鉆孔直徑為Φ85mm，傾角分別為50°和65°，鉆孔長度覆蓋堅硬厚層，封孔長度不低于孔深的1/3，布置參數(shù)如圖5 所示。204 工作面超前300m 區(qū)域?qū)嵤┥鲜龃笾睆姐@孔+煤體爆破+頂板深孔預(yù)裂爆破卸壓解危措施后，工作面未出現(xiàn)沖擊顯現(xiàn)現(xiàn)象，且工作面區(qū)域煤炮聲明顯減少，保證了204 工作面的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

4.1 204 工作面微震超前分布范圍為160m-320m。在204 工作面由切眼向向斜軸部俯采及向撤面巷仰采過程中，工作面微震超前分布范圍先減小后增大，同時受巷道布置及開采強(qiáng)度影響。

4.2 結(jié)合微震分析，確定工作面超前卸壓解危范圍為300m，采取大直徑鉆孔+煤體爆破+頂板深孔預(yù)裂爆破相結(jié)合的卸壓解危方案，保證工作面安全生產(chǎn)。