綜采工作面沖擊危險性分析及分源防治

朱剛亮，高 剛，馬文濤，尹傳平，張 磊，郭凱璇

(1.陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周圍煤巖體由于彈性變形能的瞬時釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動力現(xiàn)象[1-4]。沖擊地壓發(fā)生是一個動力學(xué)過程，依次經(jīng)歷沖擊啟動、沖擊能量傳遞、沖擊地壓顯現(xiàn)3個階段[5]，采煤工作面采動圍巖近場集中靜載荷的積聚是沖擊啟動的內(nèi)因，遠(yuǎn)場集中動載荷對靜載荷的擾動、加載是沖擊啟動的外因[6-8]。為保證綜采工作面的安全順利回采，提升綜采工作面的防沖管理水平，以孟村煤礦401101工作面為研究背景，劃分沖擊危險區(qū)域，并開展綜采工作面沖擊地壓防治技術(shù)實(shí)踐與應(yīng)用。

1 工程背景

孟村煤礦是一個具有水、火、瓦斯、煤塵、沖擊地壓等多種自然災(zāi)害的新建礦井。4號煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板巖層為弱沖擊傾向性巖層。采煤工作面沖擊地壓類型為構(gòu)造應(yīng)力主導(dǎo)的靜載荷為主、動載荷為輔的動靜載疊加型沖擊啟動類型，沖擊事件主要發(fā)生在中央大巷DF29斷層及X1向斜構(gòu)造區(qū)附近，造成中央大巷和采掘工作面多處破壞，主要表現(xiàn)形式有：巷道瞬間底鼓、片幫、冒頂、震感強(qiáng)烈等，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。

首采面401101工作面可采走向長度2 090 m，傾向長度180 m，可采儲量504萬t，該工作面范圍內(nèi)煤層厚度16.0～23.9 m，平均煤厚19.95 m。煤層頂板為以砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、粗砂巖為主的復(fù)合型頂板，底板以遇水易膨脹的鋁質(zhì)泥巖為主，回采期間將受到F1斷層、謝家咀背斜、塬口子向斜影響，地質(zhì)構(gòu)造分布情況如圖1所示。

圖1 401101工作面構(gòu)造情況Fig.1 Structure of 401101 working face

2 沖擊危險區(qū)域劃分

依據(jù)綜合指數(shù)法，分析地質(zhì)及開采因素影響，確定401101工作面回采期間總體沖擊危險等級為中等沖擊危險，考慮重點(diǎn)區(qū)域及重點(diǎn)時期，對工作面推進(jìn)過程中可能存在的沖擊危險區(qū)域進(jìn)行了劃分。

2.1 頂板活動作用下的影響區(qū)域

2.1.1 頂板斷裂危險區(qū)劃分

首采工作面上方老頂隨著工作面的回采，當(dāng)頂板懸露面積過大時，采場圍巖易儲存大量的彈性能，一旦發(fā)生斷裂，產(chǎn)生的沖擊動載將直接作用于工作面采場及巷道圍巖，產(chǎn)生危險。根據(jù)工作面的不同推進(jìn)情況，將頂板斷裂危險區(qū)劃分為工作面初采期間基本頂初次垮落前和工作面“見方”階段。

2.1.2 工作面初采期間基本頂初次垮落前

工作面初采期間基本頂初次垮落前，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果確定基本頂初次來壓步距及周期來壓步距。在初次來壓之后，工作面沖擊危險相對降低，此后危險時期應(yīng)為工作面周期來壓時期。

2.1.3 工作面“見方”階段

工作面“見方”階段，當(dāng)工作面自切眼向前推進(jìn)180 m距離，推采距離與工作面長度(包括巷道寬度)相當(dāng)時，開采面積呈正方形，單面初次達(dá)到見方采動，此時頂板運(yùn)動和破裂頻繁，釋放的震動能量較大。另外,根據(jù)以往工作面現(xiàn)場觀測結(jié)果，該時期工作面超前支承壓力和巷道側(cè)向支承壓力相對較大。

2.2 構(gòu)造影響區(qū)域

2.2.1 斷層構(gòu)造

401101工作面內(nèi)存在橫穿工作面的F1正斷層，該斷層落差14～18 m，對工作面影響較大。當(dāng)工作面回采到斷層影響區(qū)域時，斷層本身構(gòu)造應(yīng)力與工作面超前支承壓力疊加，使斷層附近的支承壓力增高，當(dāng)滿足沖擊條件時，可以誘發(fā)沖擊地壓。另外，斷層構(gòu)造造成煤巖體較為破碎，不利于巷道圍巖的維護(hù)。措施巷掘進(jìn)至斷層約140 m時，發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，孟村礦區(qū)斷層或褶曲影響范圍可以達(dá)到150 m以上，工作面推進(jìn)到距F1斷層150 m范圍內(nèi)受此影響。

2.2.2 褶曲構(gòu)造

401101工作面東段處于褶曲構(gòu)造區(qū)域內(nèi)，具有較高的水平構(gòu)造應(yīng)力。401101工作面回采中后期會陸續(xù)通過頂角相對較大的謝家咀背斜(B2背斜)、塬口子向斜(X1向斜)，當(dāng)回采到褶曲軸部區(qū)域或軸部附近時，受水平擠壓或者拉伸作用容易引起以巷道頂、底板受到顯著破壞為主的礦壓顯現(xiàn)或沖擊地壓。工作面推進(jìn)至B2背斜及X1向斜軸部200 m范圍內(nèi)受此影響。

2.3 底煤影響區(qū)域

401101工作面為上分層開采，運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷及措施巷均留不小于8 m的底煤。對于巷道圍巖而言，頂板和巷幫一般會進(jìn)行支護(hù)，底板無支護(hù)，從而導(dǎo)致底板成為巷道最為薄弱的區(qū)域。當(dāng)沖擊載荷作用至巷道圍巖時，能量將從最薄弱的環(huán)節(jié)突破，該過程必然伴隨底板的沖擊破壞或緩慢底鼓。401101工作面全程回采期間均會受此影響。依據(jù)沖擊影響因素，劃定強(qiáng)沖擊危險區(qū)域8個，中等沖擊危險區(qū)域16個，其余均為弱沖擊危險區(qū)域。具體危險區(qū)域劃分見表1，劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 401101工作面回采期間沖擊危險區(qū)域劃分結(jié)果Fig.2 The division of the rockbust danger zone during the mining of 401101 working face

表1 沖擊危險區(qū)域劃分Table 1 Division of rockburst risk areas

由于地質(zhì)構(gòu)造區(qū)具有較高的構(gòu)造應(yīng)力，當(dāng)回采至該區(qū)域時，在采動影響下，動載與靜載疊加易使集中應(yīng)力達(dá)到煤層沖擊臨界值，從而誘發(fā)沖擊地壓；并且煤層上方賦存多層硬厚砂巖，不僅因懸頂使彎曲彈性能在煤體內(nèi)的積聚，還會因巖層斷裂產(chǎn)生沖擊動載，易誘發(fā)沖擊地壓。

3 微震事件活動特征

選取401101工作面范圍2018年7月1日至2018年7月31日共31 d的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此時、空范圍內(nèi)共有902個有效微震事件，總能量為5.27×106J，平均能量為5.84×103J，最大能量為2.00×106J，統(tǒng)計(jì)期間內(nèi)工作面推進(jìn)180 m，平均每米釋放能量為2.93×104J。微震事件的平面分布如圖3所示，大部分微震事件以及大部分高能微震事件均分布于401101運(yùn)輸巷側(cè)。

圖3 統(tǒng)計(jì)期內(nèi)微震事件分布Fig.3 Distribution of microseismic events during the statistical period

圖4為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)頻次、能量分布柱狀圖，可以看出，能量1×103～1×104J的微震事件最多，占比72.84%，且總能量也最大，達(dá)到了2.55×106J。能量在1×102～1×103J的微震事件為166次，占比18.40%，總能量為8.40×104J。能量在1×104～1×105J的微震事件為65次，占比7.21%，總能量為1.94×106J。能量在1×105～1×106J的微震事件有4次，總能量為6.83×105J。

圖4 統(tǒng)計(jì)期內(nèi)微震頻次、能量分布Fig.4 Frequency and energy distribution of microseismic during the statistical period

1×103～1×104J能量事件頻次和能量占據(jù)主導(dǎo)地位，表明回采過程中圍巖積聚能量可以均勻釋放，對突發(fā)性動力災(zāi)害的防治較為有利。根據(jù)以往發(fā)生的動力現(xiàn)象來看，當(dāng)微震事件能量在1×105J以上時，就有可能對巷道圍巖造成破壞，而401101工作面回采過程中，能量大于1×105J的微震事件頻發(fā)，表明在401101工作面回采初期煤巖活躍度比較高，具有較高的沖擊危險，這與工作面上方頂板比較堅(jiān)硬，但回采初期并未對頂板采取措施有關(guān)。

4 沖擊地壓防治方案及效果檢驗(yàn)

依據(jù)不同載荷來源，針對頂板、幫部及底板制定分源防治方案，并進(jìn)行工程實(shí)踐[9-11]。

4.1 頂板高壓水力壓裂

401101工作面穿越地質(zhì)構(gòu)造帶期間，對401101工作面回風(fēng)巷副幫側(cè)進(jìn)行壓裂施工。方位角垂直副幫煤壁，傾角45°，孔深40 m，間距10 m；采用后退式分段壓裂，每孔壓裂4～5次，每次20～30 min。

401101工作面回風(fēng)巷正幫側(cè)構(gòu)造區(qū)域(DF29斷層及X1塬口子向斜)進(jìn)行壓裂施工，施工范圍為DF29斷層西側(cè)150 m(即回風(fēng)巷800 m)至X1塬口子向斜東側(cè)150 m(即回風(fēng)巷230 m)，共計(jì)570 m。方位角垂直正幫煤壁時，傾角15°，孔深40 m，間距20 m；方位角與巷道軸向夾角20°時，傾角45°，孔深40 m，間距20 m。采用后退式分段壓裂，每孔壓裂4～5次，每次20～30 min。

4.2 幫部大直徑鉆孔

回風(fēng)巷幫部施工大直徑卸壓鉆孔，煤體大直徑卸壓鉆孔參數(shù)見表2。

表2 煤體大直徑卸壓鉆孔參數(shù)Table 2 Parameters of large-diameter pressure relief drilling holes in coal mass

4.3 底板大直徑鉆孔

運(yùn)輸巷底板卸壓鉆孔布置在巷道中部，鉆孔深度10 m，見巖停鉆，具體參數(shù)見表3。

表3 運(yùn)輸巷底板卸壓鉆孔布置Table 3 Layout of pressure relief drilling holes in the floor of the transport roadway

回風(fēng)巷底板孔布置在回采側(cè)底角處，鉆孔深度12 m，見巖停鉆，具體參數(shù)見表4。

表4 回風(fēng)巷底板卸壓鉆孔布置Table 4 Arrangement of the pressure relief drilling holes for the floor of the return airway

4.4 應(yīng)用效果

實(shí)施分源防治方案前，微震活動日平均釋放能量3.3×105J，日平均釋放頻次101次。實(shí)施分源防治方案后日均總能量及頻次趨于平緩，微震活動日平均釋放能量2.75×105J，降低了16.6%。日平均釋放頻次84次，降低了16.8%，周期來壓步距明顯縮短，保障了工作面順利回采。

5 結(jié)論

(1)401101工作面回采期間總體具有中等沖擊危險，劃定強(qiáng)沖擊危險區(qū)域8個，中等沖擊危險區(qū)域16個，其余均為弱沖擊危險區(qū)域。

(2)工作面回采期間微震活動性強(qiáng)，高能微震事件占比大，沖擊危險性較大。

(3)依據(jù)載荷來源制定了分源防治方案，針對頂板開展爆破及水力壓裂弱化卸壓，針對幫部及底板開展煤層大直徑鉆孔卸壓，工程實(shí)踐表明，通過開展分源防治措施，微震活動顯著下降，周期來壓步距明顯降低，保障了工作面順利回采。