綜放工作面堅硬頂板沖擊地壓防治及效果分析

耿延輝GENG Yan-hui

（瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037；中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

0 引言

沖擊地壓主要是由地質(zhì)因素和開采技術(shù)綜合作用的結(jié)果。經(jīng)鑒定寬溝煤礦煤層具有弱沖擊性，頂?shù)装寰哂袕姏_擊性。頂板的強沖擊主要是由于頂板具有堅硬，厚度大及不易垮落的特點。再加上工作面屬于綜放開采，采空區(qū)極易形成較大的空殼，引發(fā)二次災(zāi)害。針對寬溝煤礦沖擊地壓發(fā)生的應(yīng)力主要由巖體的重力和構(gòu)造殘余應(yīng)力組成。經(jīng)過市場現(xiàn)場統(tǒng)計分析，煤巖的沖擊傾向性越大，發(fā)生沖擊地壓的可能性就越大。煤的強度越大，彈性越好，沖擊傾向性就越高。頂板巖層越堅硬，越容易誘發(fā)沖擊地壓。

1 試驗區(qū)域

1.1 試驗區(qū)概括

B2 煤層厚度8.33～16.64m，平均11.80m。頂板巖性以粉砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖為主，細(xì)粒砂巖、粗粒砂巖次之，厚度0.30～34.22m。

1.2 煤層及頂?shù)装鍥_擊性

根據(jù)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院鑒定B2 煤層具有弱沖擊傾向性，頂板具有強沖擊傾向性。

2 工作面放頂期間沖擊地壓防治

2.1 工藝巷位置

I010202 綜放工作面措施巷長度1600m，巷高2.5m，寬2.5m，工藝巷布置在上下順槽中間，工作面巷道布置示意圖如圖1 所示。

圖1 工作面巷道布置示意圖

2.2 頂板深孔超前預(yù)裂爆破

試驗區(qū)綜放工作面頂板超前預(yù)裂爆破沿煤層傾向布置，每排施工10 個，每10m 施工一排，鉆孔設(shè)計如圖2所示。

圖2 試驗工作面工藝巷頂板爆破孔設(shè)計圖

2.3 上、下端頭預(yù)裂爆破

為了確保工作面回采期間頂板垮落及時，避免造成工作面大面積懸頂引起的動力災(zāi)害，需要對工作面頂板及端頭進(jìn)行預(yù)裂爆破。每組施工兩個鉆孔，孔深30m 步距3m，鉆孔設(shè)計如圖3 所示。

圖3 端頭超前預(yù)裂爆破圖

2.4 綜放工作面爆破頂板壓力曲線

工藝巷煤層頂板爆破后，統(tǒng)計分析了工作面KJ21 在線支架壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，支架壓力變化曲線如圖4 所示。

如圖4 所示，工作面KJ21 支架壓力變化大致有三個階段：

圖4 工藝巷頂板爆破過程監(jiān)測

①第一階段：爆破瞬間，工作面支架壓力急增上升。該階段為爆破后產(chǎn)生的瞬間動力，在瞬間載荷的作用下支架壓力瞬間升高。②第二價段：持續(xù)一段時間后，工作面支架阻力增大。主要原因是工作面回采后，頂板由于預(yù)裂爆破后頂板彎曲下沉造成支架阻力增大。③第三階段：持續(xù)一段時間后，支架阻力恢復(fù)平衡，支架阻力下降。主要原因是工作面頂板爆破后，頂板及時垮落，應(yīng)力轉(zhuǎn)移后，支架阻力出現(xiàn)下降，恢復(fù)正常值。

3 工藝巷爆破后礦壓顯現(xiàn)效果

3.1 支架壓力分析

由工作面支架壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，工作面頂板爆破后，頂板出現(xiàn)下沉，支架壓力阻力上升，隨后工作面向前推進(jìn)，頂板垮落，支架阻力又出現(xiàn)下降，支架阻力大于25MPa，最大值小于40MPa。工作面沿傾向支架壓力變化規(guī)律如下：①5#-15#支架在爆破后出現(xiàn)壓力下降，但均在2 月25 日、26 日兩天出現(xiàn)來壓的現(xiàn)象。后期在2 月27 日、28 日出現(xiàn)周期來壓的現(xiàn)象。②25#-45#支架在爆破后支架阻力出現(xiàn)降幅，工作面推進(jìn)中出現(xiàn)兩次周期來壓現(xiàn)象。③55#、73#支架左右爆破后出現(xiàn)阻力升高的趨勢，并在后期出現(xiàn)周期來壓現(xiàn)象。

通過以上數(shù)據(jù)分析可知，工作面預(yù)裂爆破后，工作面阻力整體出現(xiàn)下降。但隨著工作面緩慢推進(jìn)，工作面周期來壓顯現(xiàn)3 次，經(jīng)統(tǒng)計計算來壓步距為19.5m；工作面沿傾向方向，支架阻力沿傾向方向變化幅度具有區(qū)域性，工作面中上部壓力增加幅度較工作面下部大，尤其是頂端區(qū)域。

3.2 微震監(jiān)測頂板活動規(guī)律

為了研究綜放工作面頂板預(yù)裂爆破后，工作面頂板破壞活動規(guī)律，選取工作面正常推進(jìn)過程中微震監(jiān)測事件，共分析上百個圍巖自發(fā)事件，微震監(jiān)測數(shù)據(jù)事件的分布規(guī)律如圖5 所示。

圖5 微震事件活動分布規(guī)律

①由圖5（a）可知，微震事件主要分布在工作面前方，工作面推進(jìn)過程中，頂板的壓力分布：煤壁前方形成應(yīng)力集中，使煤壁前方的巖層發(fā)生破裂，巖層發(fā)生破裂的區(qū)域主要集中在工作面上部，工作面下部微震事件較少，表明工作面中上部來壓時期將要比下部區(qū)域早。②由圖5（b）分布可知，工作面中部區(qū)域上部直接頂（老頂）巖層活動頻繁，表明工作面中部首先發(fā)生破裂，隨著巖層破裂發(fā)展，工作面下部區(qū)域逐步頂板發(fā)生斷裂，上部區(qū)域主要集中發(fā)生在煤層中，說明工作面上部壓力較下部大。

3.3 工作面中上部區(qū)域頂板破碎情況

為了驗證頂板預(yù)裂爆破效果，在工作面回風(fēng)巷內(nèi)施工鉆孔，采用鉆孔窺視儀對頂板窺視，施工鉆孔孔徑75mm，孔深42m，仰角62°，水平轉(zhuǎn)角30°。鉆孔設(shè)計如圖6 所示。

圖6 2# 窺視孔平剖面圖

鉆孔窺視效果如圖7 所示。

圖7 鉆孔窺視效果圖

通過窺視截圖可看出，孔內(nèi)變形嚴(yán)重，由圖7 可知：工作面前方及上部煤層裂隙發(fā)育，工作面上部頂板11～20m區(qū)域頂板裂隙發(fā)育明顯，上部頂板20～31m 區(qū)域頂板較為破碎。

4 結(jié)論

①通過工作面微震事件規(guī)律，工作面應(yīng)力集中在煤壁前方30m，圍巖破壞為工作面前方20～50m 范圍內(nèi)，煤層頂板上方30m；工作面傾向中部向上55m 區(qū)域。②工作面預(yù)裂爆破后，支架阻力變化規(guī)律，工作面支架阻力變化分為三個階段。③通過頂板窺視可知：工作面爆破后煤層裂隙發(fā)育，遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低了煤巖體的沖擊性。