利用卸壓鉆孔誘發(fā)能量判別沖擊危險類別的技術(shù)與實踐

白俊杰

（中煤西北能源公司烏審旗蒙大礦業(yè)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

煤礦沖擊地壓作為一種地質(zhì)災害，且地質(zhì)構(gòu)造作為一種極其復雜的沖擊要素[1].在采掘擾動前對沖擊隱患受力、類型進行辨識，提前采取針對性的防沖部署，顯然是對沖擊地壓災害形成有效治理的一種必要手段[2]。納林河二號礦井在盤區(qū)三維地震（含電法）勘探確定了31103 工作面3DHF1 地質(zhì)異常體基本位置和形態(tài)，后續(xù)生產(chǎn)中經(jīng)巷道揭露、多次鉆孔探測，證實該異常體為組合斷層群，但31103工作面回撤通道區(qū)域是否受該地質(zhì)異常體的構(gòu)造影響問題仍不清楚。為了查清回撤通道是否受地質(zhì)異常體構(gòu)造影響，通過對特厚煤層卸壓鉆孔誘發(fā)煤體破裂而產(chǎn)生的能量事件進行統(tǒng)計、分析，發(fā)現(xiàn)在特厚煤層中部施工的卸壓鉆孔所誘發(fā)的能量事件均位于鉆孔至煤層頂板范圍，為典型的頂板壓力模型，因此回撤通道不受3DHF1 地質(zhì)異常體構(gòu)造的影響。據(jù)此判定：無需對地質(zhì)異常體進行爆破處理，避免了防沖爆破卸壓工程的盲目施工，為今后類似條件下沖擊隱患類型辨識提供了新的途徑。

1 概述

1.1 礦井及工作面概況

納林河二號礦井位于鄂爾多斯聚煤盆地內(nèi)部，毗鄰陜北斜坡的隆起帶，井田地質(zhì)動力環(huán)境為中等。礦井設計生產(chǎn)能力8.00 Mt/a，礦井采用深立井開拓、分盤區(qū)布置，現(xiàn)主水平位于3-1 煤層，埋深550 m左右，31103 工作面長241 m，可采走向長度1787 m，煤層厚度5.5 m，為近水平煤層。經(jīng)鑒定，3-1 煤頂板和煤層為強沖擊傾向性，底板為弱沖擊傾向性，沖擊危險評價等級為中等。31103-1 工作面末采期間受地質(zhì)構(gòu)造異常體和31102 采空區(qū)側(cè)向支撐壓力、本工作面采動應力、T 型交叉巷道和煤柱高應力集中等多種因素的影響。

1.2 地質(zhì)異常體基本狀況

根據(jù)《3DHF1 地質(zhì)異常體探查成果報告》顯示：初步判斷3DHF1 地質(zhì)異常體為多條組合斷層群，平面呈圓形分布，落差20～25 m，該地質(zhì)構(gòu)造預測長度397 m。地質(zhì)異常體東側(cè)邊界為一正斷層（3DHF1：230 ∠31°，H=4 m），輔回撤通道膠運側(cè)距離地質(zhì)異常體的垂直距離為64 m，輔回撤通道風門處距離地質(zhì)異常體146 m，如圖1。

1.3 末采防沖關(guān)鍵問題—力源類別的確定

根據(jù)以往國內(nèi)外沖擊地壓防治經(jīng)驗分析[3]，地質(zhì)構(gòu)造對沖擊地壓防治的影響最復雜，災害程度最嚴重。經(jīng)多次探測、分析、論證，3DHF1 地質(zhì)異常體形成原因及影響范圍仍存在不確定性，3DHF1 地質(zhì)異常體東側(cè)邊緣是否延伸或尖滅范圍至31103-1輔回撤通道附近區(qū)域，輔回撤通道在末采階段是否會受到構(gòu)造應力和本工作面采動應力等多因素疊加的影響，可能造成31103-1 工作面末采直至回采貫通階段的沖擊地壓防治問題極為復雜[4]。

為了確保31103-1 工作面末采安全順利貫通，需提前對輔回撤通道是否處于3DHF1 地質(zhì)異常體影響范圍和31103-1 輔回撤通道附近區(qū)域煤層受力進行判別，為后期防沖工程（頂板松動爆破和斷底爆破[5]）實施的必要性提供有力指導。

2 分析思路

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、斷裂基本理論，結(jié)合目前3DHF1 地質(zhì)異常體的探測結(jié)果分析，3DHF1 地質(zhì)異常體東側(cè)邊緣為一正斷層（落差4 m，傾角31°）。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造斷裂理論，斷層錯動過程中，兩側(cè)煤層受到牽引，煤層產(chǎn)生彎曲變形。根據(jù)影響范圍將斷裂面兩側(cè)附近區(qū)域劃分為構(gòu)造影響區(qū)和不受構(gòu)造影響區(qū)，如圖2。

圖2 斷層牽引附近煤層彎曲、變形示意圖

鑒于上述分析結(jié)果，根據(jù)31103-1 工作面回撤通道區(qū)域是否受地質(zhì)異常體影響，按煤層受到牽引后，產(chǎn)生彎曲和變形的思路，形成構(gòu)造應力型模型、底板凸起型模型和頂板壓力型模型。圖3 中三個模型中，均假設水平側(cè)受到固定約束。三種模型詳述如下。

圖3（a）為受構(gòu)造應力影響的模型，煤層頂板和底板同處于斷層斷裂、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造影響范圍，該處煤層頂板和底板同時受到向上、向下的擠壓應力；

圖3（b）中煤層底板受到垂直向上的擠壓力，造成煤層底板擠出、鼓起，也是構(gòu)造應力模型的一種；

圖3（c）為典型的頂板集中壓力的模型，煤層頂板受較大的、垂直向下的壓力，同時左右兩側(cè)及底板受四周煤巖體固定約束。

圖2 中“巷道位置一”對應于圖3（a）中構(gòu)造應力型模型和（b）底板凸起型模型，“巷道位置二”對應于圖3 中（c）頂板壓力型模型。

圖3 特厚煤層中三種典型的鉆孔誘發(fā)煤層破裂模型

3 大直徑卸壓鉆孔施工誘發(fā)能量事件

3.1 分析對比原則

（1）選取煤體卸壓鉆孔施工對應區(qū)域的微震能量事件。

（2）從時間和空間上，最大限度避開本工作面回采擾動應力影響。

3.2 選擇結(jié)果

（1）時間選擇：2020 年5 月20 日—5 月23日期間（4 天），工作面未生產(chǎn)，停產(chǎn)后兩天選取數(shù)據(jù)（5 月22 日中班—5 月23 日夜班）；

（2）截至2020 年5 月20 日，工作面剩余可采走向長度333 m，距離微震事件分布區(qū)域387.2 m；

（3）31103-1 輔回撤通道西側(cè)（地質(zhì)異常體側(cè)）20 m 范圍。

3.3 誘發(fā)能量事件分布規(guī)律

通過在31103-1 輔回撤通道回風側(cè)地質(zhì)異常體區(qū)域施工大直徑卸壓鉆孔（表1 所列），并對煤體破裂誘發(fā)的能量事件進行統(tǒng)計（表2 所列），大直徑鉆孔誘發(fā)附近煤體破裂（能量事件的釋放）有以下特點：

（1）鉆孔誘發(fā)能量事件介于4.0×102J 至2.3×103J，單個事件平均能量1 228.74 J；

（2）大直徑卸壓鉆孔誘發(fā)能量的總頻次中，二次方和三次方事件各占比50%；

（3）煤體大直徑卸壓鉆孔誘發(fā)能量事件均分布于鉆孔至煤層頂板的高度范圍，如圖4；編號1#～9#和11#微震事件為煤體大直徑卸壓鉆孔鉆進過程中，附近煤體出現(xiàn)破裂、能量釋放；

（4）初步分析，10#和12#微震事件為煤體大范圍卸壓引起上覆巖層位移、破裂，頂板卸荷能量事件發(fā)生于煤層上方7～9.5 m 高度范圍，對應上覆巖層7.7 m 厚粉砂巖和4.4 m 厚度砂質(zhì)泥巖。

表1 大直徑鉆孔施工統(tǒng)計表

圖4 鉆孔誘發(fā)能量事件垂直分布

4 工程實踐檢驗

根據(jù)以上分析、判斷，輔回撤通道區(qū)域受力為頂板壓力型模型，初步排除地質(zhì)異常體構(gòu)造應力因素的影響，輔回撤通道布置位置不在3DHF1 地質(zhì)構(gòu)造異常體東側(cè)邊緣影響范圍。在明確了末采階段回撤通道區(qū)域的沖擊危險類別后，沒有必要對地質(zhì)異常體附近區(qū)域采取頂板爆破，避免了防沖爆破工程的盲目施工。對31103-1 輔回撤通道施工頂板高壓水力預裂、幫部卸壓鉆孔和“單體+π 梁”、單元支架、組合錨索等支護措施，31103-1 工作面進入末采后實現(xiàn)了安全順利回采貫通。

表2 大直徑鉆孔誘發(fā)能量事件統(tǒng)計表（KJ551 微震監(jiān)測系統(tǒng)）

5 結(jié)論

（1）在類似的地質(zhì)構(gòu)造復雜區(qū)域特厚煤層條件下，通過對煤體大直徑卸壓鉆孔的誘發(fā)能量進行分析，可作為一種新的沖擊隱患類型排查手段，有效指導后續(xù)防沖工程的實施。

（2）大直徑卸壓鉆孔誘發(fā)能量最大能達到103級別，在松軟破碎煤層施工時，需做好近距離誘發(fā)能量造成的頂板事故。