礦山地壓災(zāi)害安全處理現(xiàn)狀和分析

周三好

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司五礦，河南 平頂山 467000）

一、工程概述

A 煤礦7 煤層和砂巖覆層區(qū)堅硬頂板沖擊傾向性鑒定結(jié)果均為強沖擊傾向性，煤巖易失穩(wěn)，誘發(fā)沖擊災(zāi)害。74101 工作面局部砂巖覆層增厚區(qū)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。74101 工作面主采7 煤層，平均煤厚為3.5 m，近水平煤層，煤層堅固性系數(shù)為1.74，綜采放頂煤開采，垮落法管理采空區(qū)。工作面?zhèn)雾敒?.2 m厚泥巖，堅固性系數(shù)為3.5；直接頂為5.1 m的厚細砂巖，堅固性系數(shù)為5.3～6.5；基本頂為中細砂巖，頂板覆層異常區(qū)域基本頂平均厚度由6.8 m增大為12.7 m，堅固性系數(shù)為7.6～8，增厚區(qū)在工作面內(nèi)延伸達65 m左右；直接底為4.7 m厚泥巖，堅固性系數(shù)為3.5；基本底為24.4 m厚的細砂巖，堅固性系數(shù)為6.6～7.5。

圖1 74101 工作面局部砂巖覆層增厚區(qū)結(jié)構(gòu)

二、礦山地壓災(zāi)害的原因分析

（一）開采布局不合理

A 煤礦采掘工作面發(fā)生沖擊地壓之前，對沖擊地壓災(zāi)害認識不足，未從開采保護層、不留孤島工作面等方面提高防范意識。采掘工作面參數(shù)設(shè)計、礦壓控制等均采用淺部開采經(jīng)驗與理論，尤其是終采線位置、大巷保護煤柱寬度、區(qū)段煤柱寬度等設(shè)計不合理，導(dǎo)致工作面開采過程中形成高應(yīng)力集中區(qū)?！?.30”沖擊與“7.30”沖擊區(qū)域，巷道間的煤柱高達26.5 m，形成孤島煤柱高應(yīng)力集中區(qū)，誘發(fā)沖擊災(zāi)害。74101 工作面軌道巷和運輸巷掘進過程中，臨近7301 工作面采空區(qū)下覆9121 工作面正在回采，74101 工作面運輸巷掘進工作面距9121 回采工作面走向距離約為230 m，最遠距離約為330 m，9121 工作面綜放開采覆巖運移對74101 工作面兩巷掘進擾動較大，采掘距離遠小于《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的最小安全距離，近距離采掘擾動，形成局部高應(yīng)力集中，是導(dǎo)致3 次沖擊災(zāi)害發(fā)生的重要原因。

（二）煤巖沖擊傾向性強

對A 煤礦7 煤層進行沖擊傾向性測定，測定結(jié)果如下：平均動態(tài)破壞時間為47 ms，沖擊能量指數(shù)為4.13，彈性能量指數(shù)為9.2；單軸抗壓強度為17.4 MPa，7 煤層上覆頂板的彎曲能量指數(shù)為23.9 kJ，綜合判定7 煤層具有強沖擊傾向性，7 煤層上覆頂板具有弱沖擊傾向性，即7 煤層及其頂板在采動應(yīng)力集中條件下易發(fā)生失穩(wěn)破壞，誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。

（三）砂巖覆層區(qū)應(yīng)力集中程度高

A 煤礦為典型的千米深井，深井高應(yīng)力集中，極易誘發(fā)沖擊災(zāi)害。統(tǒng)計表明，每開采百萬噸煤炭，沖擊地壓發(fā)生指數(shù)隨開采深度的增加明顯升高，74101 工作面平均開采深度約為1000 m，開采百萬噸煤炭其沖擊地壓發(fā)生指數(shù)為0.8，工作面可采煤炭儲量為137 萬t。工作面可能發(fā)生沖擊地壓的次數(shù)為1.09 次，即74101 工作面采掘過程中，沖擊地壓發(fā)生的可能性接近100%。煤體在應(yīng)力異常區(qū)內(nèi)沖擊失穩(wěn)主要有近場靜載應(yīng)力為主的沖擊和遠場動載震動為輔的沖擊2 種，如圖2 所示。

圖2 煤體沖擊破壞

三、沖擊地壓災(zāi)害防治

（一）“頂板－煤體－底板”一體化爆破卸壓技術(shù)

1.深孔爆破切頂技術(shù)在74101 工作面軌道巷和運輸巷接近應(yīng)力集中異常區(qū)域100 m范圍內(nèi)實施爆破切頂解危措施。在運輸巷布置1 號鉆孔，孔徑為90 mm，爆破切割工作面內(nèi)部的厚層砂巖頂板。在軌道巷布置扇形鉆孔4 個，孔徑為90 mm，其中2 號、3 號鉆孔孔底間距為10 m，5 號孔與4 號孔間距為20 m，解決了采空區(qū)側(cè)向形成的弧形三角板動載荷來源區(qū)的懸頂問題。每組設(shè)置1—5 號鉆孔，間隔20 m施工一組鉆孔，對工作面沿走向100 m范圍內(nèi)爆破切頂，爆破孔布置如圖3 所示。

圖3 74101 工作面扇形爆破孔剖面圖

2.煤體爆破卸壓技術(shù)

74101 工作面回采過砂巖覆層異常區(qū)域，對煤體采取短孔卸壓爆破技術(shù)。爆破參數(shù)：孔徑為42 mm，孔深為10 m，裝藥長度為5 m，封孔長度為5 m，爆破孔間距為5 m。

3.底板爆破卸壓

74101 工作面底板覆層堅硬厚層細砂巖，工作面回采通過頂板砂巖覆層異常區(qū)域時，極易產(chǎn)生大量彈性能，誘發(fā)沖擊災(zāi)害。底板爆破鉆孔布置在巷道兩幫距底板0.1～0.3 m處，按60～70°俯角施工，鉆孔深度為10 m，鉆孔間距為5 m，每孔裝藥2 kg，封滿炮泥，每次起爆鉆孔數(shù)量為5 個，躲炮距離大于300 m。

（二）治理效果評價

從圖4 可看出，74101 工作面回采通過砂巖覆層應(yīng)力集中區(qū)過程中，采取“頂板－煤體－底板”爆破卸壓前單次釋放能量大于104J的礦震（圖中紅色圓點）主要位于工作面靠近砂巖覆層異常區(qū)域一側(cè)。采取爆破卸壓措施后，工作面通過砂巖覆層異常區(qū)域過程中，沒有出現(xiàn)高能量礦震，能量均小于104J，且礦震分布均勻，表明對煤體及頂?shù)装宀扇”菩秹捍胧┖?，煤巖體彈性能有序釋放，礦震活動呈現(xiàn)低能量、低頻次的特征，沖擊危險性顯著降低。

圖4 卸壓爆破前后礦震日累計能量、頻次對比

四、結(jié)論

（一）A 煤礦74101 工作面周邊開采布局不合理、煤巖沖擊傾向性強、砂巖覆層區(qū)應(yīng)力集中程度高、防沖監(jiān)測預(yù)警臨界值界定不清是誘發(fā)3 次沖擊災(zāi)害的主控因素。（二）采用礦震震動波CT反演技術(shù)獲取了74101 工作面砂巖覆層區(qū)沖擊危險性，揭示了煤巖體突然失穩(wěn)破壞誘發(fā)沖擊災(zāi)害的原因。（三）針對74101 工作面砂巖覆層區(qū)采取“頂板－煤體－底板”卸壓爆破技術(shù)措施后，其礦震日累計能量由1.57×104J降低至104J以下，震動頻次由60 次降低至30 次以下，煤巖體彈性能有序釋放，礦震活動呈現(xiàn)低能量、低頻次的特征，應(yīng)力異常區(qū)域沖擊危險性顯著降低。