綜放開采見方構(gòu)造區(qū)沖擊危險性分析及防治研究

閆耀東， 潘俊鋒， 席國軍, 焦彪， 史星

(1.煤炭科學(xué)研究總院， 北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司， 北京 100013；3.陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司， 陜西 咸陽 713600)

0 引言

隨著煤炭開采活動向深地轉(zhuǎn)移，沖擊地壓問題日益凸顯[1-2]。由于沖擊地壓成因復(fù)雜，顯現(xiàn)形式多樣，當(dāng)前對沖擊地壓的機理認(rèn)識、監(jiān)測手段和防治措施也復(fù)雜多樣，致使礦井難以選擇合適的方法解決沖擊地壓問題[3]，更為嚴(yán)重的是沖擊地壓的發(fā)生可能誘發(fā)煤與瓦斯突出及冒頂?shù)却紊鸀?zāi)害，嚴(yán)重限制了深部礦井的生產(chǎn)與建設(shè)。

目前，我國在沖擊地壓理論研究方面成果眾多[4-7]，包括應(yīng)力控制理論、弱化減沖理論及沖擊啟動理論等?；跊_擊地壓發(fā)生機理指導(dǎo)的防沖實踐，在復(fù)雜的地質(zhì)及采掘條件下的應(yīng)用也不盡相同，齊慶新等[8]分析了深孔斷頂爆破在甘肅平?jīng)鋈A亭煤礦急傾斜煤巖層條件的應(yīng)用。潘俊鋒等[9]分析了深孔區(qū)間爆破技術(shù)在河南義馬千秋煤礦半孤島工作面的應(yīng)用。在監(jiān)測技術(shù)方面，姜福興等[10]分析了微地震監(jiān)測手段在山東棗莊朝陽煤礦千米深井構(gòu)造活化區(qū)的應(yīng)用。蔡武等[11]分析了微震多維信息的時空預(yù)測方法在河南義馬躍進煤礦斷層構(gòu)造區(qū)的應(yīng)用。以上防沖實踐在指導(dǎo)沖擊地壓礦井的安全生產(chǎn)中有重大意義，但更多地是從單一地質(zhì)構(gòu)造或見方效應(yīng)的因素分析礦井的沖擊危險性，而當(dāng)前沖擊地壓礦井鮮明的特點就是開采條件一直變化，影響因素復(fù)雜多樣，也就意味著沒有絕對成熟的防治技術(shù)拿來復(fù)制[12]，需要因地制宜分析多因素耦合對沖擊地壓的影響。

對于綜放工作面而言，頂板垮落形成的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜[13]，隨著工作面回采至采空區(qū)見方時[14]，頂板上覆巖層在垂直方向上的運動可達(dá)到最大值，若此時井田構(gòu)造較發(fā)育，二者相互疊加作用，對于防治沖擊地壓極為不利。鑒此，本文以陜西彬長胡家河煤礦401111綜放工作面為工程背景，具體分析綜放開采條件下地質(zhì)構(gòu)造與見方效應(yīng)耦合區(qū)域內(nèi)的沖擊危險性及防治措施，為類似條件下的沖擊地壓煤層安全回采提供參考。

1 工程背景

401111工作面是胡家河煤礦401盤區(qū)布置的第5個工作面，為綜放工作面，其布置如圖1所示，井下具體位置如下：東側(cè)緊鄰401101工作面采空區(qū)，南側(cè)為礦井邊界保護煤柱，西側(cè)為礦井三下開采區(qū)，北側(cè)為中央大巷保護煤柱。煤層底板標(biāo)高為+340～+356 m，該工作面設(shè)計長度為1 607.5 m，傾向長度為180 m。工作面在準(zhǔn)備期間，除布置運輸巷、回風(fēng)巷外，仍需在煤層中布置高位瓦斯抽放巷以及在部分區(qū)段煤柱內(nèi)布置泄水巷。該工作面4號煤層賦存穩(wěn)定，煤層近乎水平，厚度為15.0～27.0 m，平均厚度約為24 m。工作面內(nèi)發(fā)現(xiàn)曲率半徑大于5 m的低序次的褶曲1個(向斜Q1)，同時工作面回風(fēng)巷處存在1個正斷層F6,產(chǎn)狀150°,∠46°,落差H=6～10 m，破碎帶寬度約為0.2 m。

根據(jù)以往胡家河煤礦動力顯現(xiàn)歷史規(guī)律，401盤區(qū)工作面多次發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響了礦井的生產(chǎn)效率。如2013年的2起沖擊顯現(xiàn)，401101工作面回風(fēng)巷強烈煤炮導(dǎo)致回風(fēng)巷道內(nèi)超前約40 m處出現(xiàn)局部冒頂；401101工作面運輸巷采煤機從機尾向機頭方向割至70號支架時，工作面煤炮頻繁、強烈。運輸巷超前支架至轉(zhuǎn)載機、破碎機之間發(fā)生了冒頂事故。

2 綜放開采見方構(gòu)造區(qū)沖擊危險性分析

401盤區(qū)早期開采的工作面受相鄰采空區(qū)的影響有限，工作面的沖擊危險性受Q1褶曲及F6斷層的影響更多。隨著采空區(qū)的不斷形成，目前401111工作面回采推進時，工作面上方頂板隨著采空的擴大，依次與東側(cè)401盤區(qū)其他工作面采空區(qū)聯(lián)通產(chǎn)生見方，其中雙面見方時期與過褶曲時期部分重疊，四面見方時期與過斷層時期部分重疊，兩時期見方效應(yīng)與地質(zhì)構(gòu)造聯(lián)合作用的區(qū)域稱作見方構(gòu)造區(qū)。見方構(gòu)造區(qū)的沖擊危險性影響因素復(fù)雜，而影響因素在不同開采階段、不同開采環(huán)境下可表現(xiàn)出不同的影響方式和程度。

2.1 動載荷源分析

(1) 工作面見方垮落影響。工作面采空區(qū)見方垮落通常指在工作面推進距離與采空區(qū)寬度大致相等的條件下，采空區(qū)上覆某一巖層或巖層組的整體垮落。一般認(rèn)為，見方垮落時頂板活動強烈，易造成采掘巷道礦壓顯現(xiàn)異常問題，甚至導(dǎo)致動力災(zāi)害的發(fā)生。401111工作面為401盤區(qū)布置的第5個工作面，工作面東側(cè)均為采空區(qū)，當(dāng)其回采推進時，存在4次見方效應(yīng)，潛在沖擊風(fēng)險極大。

(2) 堅硬厚層頂板活動影響。煤體被采出后，直接頂隨工作面推進而不斷垮落，而上覆堅硬頂板懸而不垮，將上覆巖層的重力傳遞至工作面前方及側(cè)向煤體，此時支承壓力作用范圍內(nèi)煤體的彈性能水平顯著提高，沖擊危險性增大。之后上覆堅硬頂板在破斷過程中，懸空頂板所積聚的大量彈性能突然釋放，形成強烈的動載荷，極易導(dǎo)致沖擊地壓等動力災(zāi)害的發(fā)生。401111工作面開采的4煤層被鑒定為具有強沖擊傾向性，鑒定結(jié)果見表1，在其上方37 m左右位置出現(xiàn)厚度超過10 m的粗粒砂巖頂板，強度較大，易在采空區(qū)上方形成懸頂，且該類型頂板垮斷時會釋放較大能量，產(chǎn)生劇烈動載擾動，沖擊危險性較高。

表1 煤層沖擊傾向性鑒定結(jié)果Table 1 Identification results of coal seam impact tendency

依照工作面見方垮落劃分的回采推進區(qū)域以及微震監(jiān)測信號測點布置位置如圖2所示。對工作面推進到A、B、C和D區(qū)域的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，工作面回采期間微震日累計能量、頻次變化如圖3所示。從圖2可看出，工作面推進到A區(qū)域及C區(qū)域時，影響兩區(qū)域沖擊危險性的因素主要為工作面見方垮落。從圖3可看出，工作面見方垮落時，頂板積聚的彈性能釋放，形成強烈的動載荷，具體表現(xiàn)為見方時期微震日累計能量及頻次顯著增大，同時三面見方時期較單面見方時期具有更高的能量及頻次，工作面沖擊危險性更高。

圖2 工作面回采推進及微震監(jiān)測布置Fig.2 Layout of mining advance and microseismic monitoring in working face

圖3 工作面回采期間微震日累計能量、頻次變化Fig.3 Daily cumulative energy and frequency variation of microseisms during mining in working face

2.2 靜載荷源分析

(1) 構(gòu)造應(yīng)力的影響。401111工作面Q1褶曲構(gòu)造區(qū)的掘進及回采工作面沖擊危險性總體偏高。褶曲構(gòu)造系巖層受強力作用所揉成的彎曲變形，巖層的產(chǎn)狀變化很大，但巖層的連續(xù)性并未受到嚴(yán)重破壞，在褶曲邊緣、煤層走向及走向變化處，尤其是褶曲軸部升起的煤層轉(zhuǎn)折處是沖擊地壓頻發(fā)區(qū)。隨著工作面回采靠近斷層F6時，超前支承壓力的前移受阻，致使采場覆巖壓力大都作用在當(dāng)前工作面與斷層面之間的煤體上，該處煤體內(nèi)支承壓力大幅增加。同時斷層構(gòu)造區(qū)域存在地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場，在較高支承壓力和構(gòu)造應(yīng)力異常的雙重作用下，斷層帶附近煤巖體發(fā)生沖擊的可能性將會顯著加大，構(gòu)造應(yīng)力影響區(qū)域內(nèi)采動應(yīng)力演化規(guī)律異常復(fù)雜。

(2) 垂直應(yīng)力的影響。401111工作面平均開采深度為634.9 m，超過了彬長礦區(qū)的沖擊地壓臨界深度，處于高應(yīng)力環(huán)境，煤巖體內(nèi)垂直應(yīng)力集中區(qū)往往為沖擊啟動區(qū)。見方初期頂板懸而不垮，煤壁前方超前支承壓力水平高于未見方時期。同時工作面布局設(shè)計不合理往往也會導(dǎo)致垂直應(yīng)力集中。401111工作面設(shè)計在401盤區(qū)最西側(cè)，其東側(cè)工作面均已回采完畢，相鄰采空區(qū)對其回采影響極大；與401101工作面間的部分區(qū)段煤柱內(nèi)開挖了1條泄水巷，泄水巷的開挖增大了區(qū)段煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力集中程度，當(dāng)工作面推進至終采線附近時，巷道群的影響又提高了沖擊風(fēng)險。

根據(jù)圖2可知，工作面在剛推進至B區(qū)域及D區(qū)域的前端時，兩區(qū)域在構(gòu)造應(yīng)力異常及垂直應(yīng)力較高的雙重影響下，沖擊危險性大大增強。而利用微震數(shù)據(jù)實現(xiàn)對靜載荷源的觀測，還需結(jié)合圖3相應(yīng)時期的微震事件進行統(tǒng)計，工作面推進至4個區(qū)域時，不同區(qū)域超前范圍內(nèi)微震事件分布如圖4所示。工作面超前支承壓力影響區(qū)域是沖擊地壓、微震事件的主要發(fā)生區(qū)域[15]。

圖4 工作面不同區(qū)域超前范圍內(nèi)微震事件分布Fig.4 Distribution of microseismic events in different areas of working face

從圖4可看出，隨著工作面的不斷推進，工作面見方垮落，依次經(jīng)過褶曲、斷層構(gòu)造影響區(qū)，工作面超前支承壓力不斷增大，垂直應(yīng)力峰值位置逐漸向煤層深部轉(zhuǎn)移，由A區(qū)域的超前60 m增大至D區(qū)域的超前100 m，其影響范圍也逐漸擴大。

3 見方構(gòu)造區(qū)沖擊地壓防治

根據(jù)以上對影響見方構(gòu)造區(qū)沖擊危險性的動靜載荷源的分析，結(jié)合圖3中見方構(gòu)造區(qū)的微震事件的變化，即見方構(gòu)造區(qū)微震事件頻繁且日累計能量較大，可得見方構(gòu)造區(qū)既有易產(chǎn)生集中靜載的區(qū)域，又有易產(chǎn)生集中動載的區(qū)域，屬強沖擊危險區(qū)域，分別為雙面見方與褶曲構(gòu)造組合作用段，回風(fēng)巷 325～460 m；四面見方與斷層構(gòu)造組合作用段，回風(fēng)巷876～1 011 m。

根據(jù)沖擊地壓分源防治理念，在見方構(gòu)造區(qū)域巷道的不同層位實施頂板預(yù)裂爆破，削減巷道圍巖遠(yuǎn)場見方效應(yīng)帶來的集中動載荷影響，幫部實施大孔徑鉆孔卸壓，底板實施大孔徑鉆孔+爆破卸壓技術(shù)，以減弱巷道圍巖近場集中靜載荷的影響。

3.1 頂板動載荷卸壓措施

工作面見方構(gòu)造區(qū)頂板上方50 m范圍依次分布有5.7 m中粒砂巖、7.1，9.7 m厚泥質(zhì)粉砂巖和7.2 m含礫粗砂巖，其懸頂時易積聚彈性能導(dǎo)致工作面超前范圍支承壓力增大，其斷裂時彈性能快速釋放，對沖擊危險性影響較大。利用炸藥爆破的預(yù)裂作用對頂板上覆巖層中的關(guān)鍵層進行預(yù)裂，降低工作面在回采過程中與相鄰采空區(qū)頂板聯(lián)通活動造成的影響和破壞程度，縮短周期來壓步距，降低周期來壓強度。

見方構(gòu)造區(qū)域預(yù)裂孔的施工參數(shù)見表2，布置方式如圖5、圖6所示，分別從巷道及工作面尺度體現(xiàn)了頂板預(yù)裂孔施工的相對空間關(guān)系，對見方構(gòu)造區(qū)工作面的相鄰采空區(qū)懸頂進行切頂，降低工作面超前及側(cè)向支承壓力。

表2 頂板預(yù)裂孔布置參數(shù)Table 2 Parameters of roof presplitting holes layout

圖6 頂板預(yù)裂孔布置水平剖視圖Fig.6 Horizontal sectional view of roof presplitting holes layout

3.2 煤層及底板靜載荷卸壓措施

見方構(gòu)造區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力聯(lián)合作用，應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，在幫部實施大孔徑卸壓孔，可降低巷道圍巖近場處靜載荷的集中程度。頂板上覆巖層壓力向幫部傳遞過程中，通過卸壓鉆孔的塌陷將一部分能量釋放，降低幫部煤體的應(yīng)力集中程度，可減少幫部變形。在實施過程中，保證工作面超前200 m范圍內(nèi)，每隔1 m至少布置1個卸壓鉆孔，且確保每個鉆孔的有效性。卸壓孔開口位置為幫部距底板1.5 m處，孔徑為150 mm，孔深煤柱幫為15 m，實體煤幫為20 m，傾角為0，方位角為90°或270°。鉆孔施工完畢后使用“水泥+煤泥”(比例為1∶3)進行封孔，封孔深度為3 m。

在見方構(gòu)造區(qū)內(nèi)，實施底板大孔徑鉆孔與爆破卸壓相結(jié)合的卸壓方式，目的是在巷道兩幫向底板的壓力傳遞路徑上實施底板卸壓，在壓力傳遞過程中底板處卸壓孔的塌陷將一部分壓力吸收，同時爆破卸壓大范圍切斷了應(yīng)力轉(zhuǎn)移路徑，減少了底板鼓起和底角壓潰現(xiàn)象。先在巷道底板實施大孔徑鉆孔，開口位置為底板兩底角處，鉆孔間距為2.8 m，孔徑為150 mm，孔深為10 m，傾角為-45°，方位角為90°或270°，使用水泥、煤泥進行封孔，封孔深度為3 m。后在相鄰2個大孔徑鉆孔的中間施工底板爆破卸壓孔，布置方式如圖7所示，開口位置為兩底角高0.3 m處，使用串聯(lián)連線正向裝藥，采用導(dǎo)爆索+雷管+起爆器連接起爆，起爆間隔時間為30 min，每次爆破不得超過2個孔。

圖7 底板爆破卸壓孔布置方式Fig.7 Layout of bottom plate blasting pressure relief holes

3.3 效果分析

目前401111工作面回采至距終采線250 m處，未出現(xiàn)災(zāi)害性沖擊地壓顯現(xiàn)，工作面巷道的圍巖變形得到了有效控制。為進一步驗證401111工作面卸壓解危措施的有效性，還需通過具體的監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析。

對401111工作面卸壓后的日微震事件能量進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖8所示。從圖8可看出，卸壓后日微震事件能量均小于104J，其中10～102J、102～103J及103～104J微震事件分別占比34%、46%及19%，無大能量(大于104J)微震事件發(fā)生。

圖8 工作面卸壓后日微震事件能量分布Fig.8 Energy distribution of microseismic events in working face after pressure relief

工作面卸壓后周期來壓變化曲線如圖9所示。從圖9可看出，工作面回采推進到見方構(gòu)造區(qū)域時，頂板周期來壓步距基本在15 m以內(nèi)。周期來壓步距縮短，頂板垮落及時，減弱了頂板懸頂積聚的彈性能，降低了頂板斷裂提供的動載荷，沖擊危險性減弱。

圖9 工作面周期來壓變化曲線Fig.9 Periodic weighting changes curve of working face

4 結(jié)論

(1) 見方構(gòu)造區(qū)的沖擊危險性較高，斷層及褶曲分別影響待開采煤層的連續(xù)性及變形特征，致使構(gòu)造應(yīng)力異常，上覆巖層壓力伴隨工作面開挖逐漸向煤層轉(zhuǎn)移，區(qū)域內(nèi)集中靜載荷顯著上升，工作面回采過程中見方效應(yīng)致使頂板活動頻繁，導(dǎo)致較高水平的集中動載荷，兩者耦合作用下的區(qū)域沖擊危險性極大。

(2) 在見方構(gòu)造區(qū)的不同層位實施頂板預(yù)裂爆破可削減巷道圍巖遠(yuǎn)場集中動載荷影響，在幫部實施大孔徑鉆孔卸壓、底板實施大孔徑鉆孔+爆破卸壓技術(shù)，可減弱巷道圍巖近場集中靜載荷的影響。

(3) 以胡家河煤礦401111工作面為工程背景的見方構(gòu)造區(qū)沖擊地壓防治效果良好，卸壓后工作面的微震事件能量均小于104J，且來壓步距縮短至15 m以內(nèi)，可為同類型礦井條件的沖擊地壓防治提供參考。