文家坡礦4105 工作面沖擊地壓防治措施研究

翟恒玉 翟恒杰

（陜西彬長文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500）

煤礦沖擊地壓是采場應(yīng)力劇烈變化、能量積聚、耗散和突然釋放的動力學(xué)過程，孕災(zāi)和致災(zāi)機理復(fù)雜、影響因素眾多。如何準確分析沖擊地壓機理，定量識別煤巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)災(zāi)變的前兆信息，揭示煤礦沖擊地壓孕育機制，形成適合煤礦自身地質(zhì)和開采條件的預(yù)警與防治技術(shù)，是保障煤礦安全生產(chǎn)的重大課題。諸多學(xué)者對此進行了大量的科學(xué)研究，并取得了豐富的成果。

史銳、劉亮[1-2]等采用大直徑鉆孔卸壓提前對工作面兩巷進行預(yù)裂爆破卸壓，已在諸多礦井得到很好的證明，效果較為明顯。簡軍峰等[3]通過調(diào)研彬長礦業(yè)公司5 對礦井的防沖問題，從開拓布局、開采解放層、合理確定工作面開采順序、留設(shè)煤柱、采煤工作面長度、采掘速度、采煤方法、支護方式、微震監(jiān)測和水力壓裂10 個方面提出了對策建議。楊琛等[4]采用微震監(jiān)測系統(tǒng)作為區(qū)域監(jiān)測手段，并在迎頭及幫部進行鉆屑法監(jiān)測，同時實施大直徑長鉆孔卸壓，并對貫通時期的人員及物料管理制定了防護措施。

針對文家坡礦強礦震、沖擊地壓機理復(fù)雜、影響因素繁多導(dǎo)致災(zāi)害突發(fā)性大、治理工程缺乏針對性的實際問題，本文以文家坡礦4105 工作面為工程背景，分析了4105 工作面布置、地質(zhì)構(gòu)造以及煤層頂?shù)装迩闆r，研究了工作面沖擊主控因素與誘發(fā)機理。據(jù)此，提出了針對4105 工作面煤體、頂板及底板有沖擊危險區(qū)域的具體防治措施。

1 工作面概況

1.1 工作面布置情況

4105 工作面位于41 盤區(qū)，東臨4104 回采工作面，西接4016 設(shè)計工作面，南依41 盤區(qū)開拓大巷，北靠紅巖河保護煤柱。工作面煤層埋深536.4～778.9 m，運順標高+471～+377 m，回順標高+459～+378 m，走向長度2873 m，傾向長度200 m。采用走向長壁綜合機械化智能化放頂煤方法開采，工作面兩巷布置分別為4105 工作面回風巷、4105 工作面帶式輸送機巷，4106工作面回風巷作為4105工作面泄水巷，如圖1。

圖1 4105 工作面布置示意圖

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

（1）褶曲

根據(jù)文家坡地質(zhì)精查報告、三維地震勘探以及地質(zhì)實測資料綜合顯示，路家-小靈臺背斜位于該工作面南部，背斜軸部走向約48°，南翼地層向北0.5°～5°上坡，北翼地層向北0.5°～5°下坡，軸部地層抬高，兩翼地層寬緩；南玉子向斜穿過工作面北部及切眼，向斜軸部走向76°，南翼地層向北0.5°下坡，北翼地層向北1.5°上坡，軸部地層壓低，兩翼地層寬緩。

（2）斷層

4105 工作面回采期間將依次揭露F26 正斷層、F21 正斷層，F(xiàn)26 正斷層落差為0～1.9 m，F(xiàn)21 正斷層落差為4～5.3 m，皆為北東走向，北西傾向。F26正斷層僅在4105 回風巷揭露，4105 膠帶巷未揭露，判斷該斷層在工作面內(nèi)尖滅；F21 正斷層穿過整個4105 工作面，向4106 工作面延伸，F(xiàn)21 正斷層在4105 工作面內(nèi)延伸長度為203 m，南北長度為40 m。

1.3 煤層頂?shù)装迩闆r

老頂為粗粒砂巖，厚度3.51～6.10 m，平均厚度4.81 m；直接頂為粗粒砂巖或泥巖，厚度1.30～2.66 m，平均厚度1.98 m。粗砂巖呈灰白色，粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，成分以石英、長石為主，顆粒次棱角狀，分選較差，鈣質(zhì)膠結(jié)，致密堅硬；泥巖呈灰褐色、水平層理，具有滑感，見水易碎，致密，斷口較平整。

底板為鋁質(zhì)泥巖或泥巖，厚度2.99～6.29 m，平均4.62 m，灰褐色，具水平層理，具有滑感，質(zhì)軟，斷口較平整。

2 4015 工作面沖擊主控因素與誘發(fā)機理研究

2.1 4105 工作面主控因素

（1）堅硬頂板是影響4105 工作面沖擊地壓的主控因素之一，務(wù)必及時落實、加強工作面后續(xù)頂板預(yù)裂工程。

（2）局部區(qū)域由地質(zhì)（斷層、賦存變化等）和開采條件（煤柱、底煤、硐室等）導(dǎo)致的高應(yīng)力異常，是影響4105工作面沖擊地壓的主控因素之一。

當二者疊加影響時，危險性最大。

2.2 4105 工作面沖擊發(fā)生的臨界條件

采掘空間周圍煤巖體中的地應(yīng)力、支承壓力、構(gòu)造應(yīng)力、斷層應(yīng)力等靜載荷與采掘工作面生產(chǎn)過程中煤巖體的破裂、頂板巖層的破斷運動、斷層的活化等產(chǎn)生的礦震形成的動載荷疊加，超過了煤巖體沖擊的極限載荷時，礦震動載就有可能誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害（如圖2）?？捎靡韵鹿奖硎荆?/p>

圖2 沖擊地壓的“動靜疊加原理”示意圖

式中：σj為煤巖體中的靜載荷；σd為礦震形成的動載荷；σbmin為發(fā)生沖擊地壓時的極限載荷。

根據(jù)試驗研究，發(fā)生沖擊地壓的極限載荷與煤的單向抗壓強度的大小有關(guān)。當煤的單向抗壓強度RC＞20 MPa 時，煤體發(fā)生沖擊地壓破壞的最小應(yīng)力水平為50 MPa；煤的單向抗壓強度RC＜16 MPa 時，煤體發(fā)生沖擊地壓破壞的最小應(yīng)力水平為70 MPa；當煤的單向抗壓強度RC=16～20 MPa 時，發(fā)生沖擊地壓破壞的最小應(yīng)力水平為50～70 MPa。

根據(jù)《文家坡礦4 煤及其頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性鑒定報告》，4#煤試樣的單軸抗壓強度為21.467～23.775 MPa，平均22.62 MPa。根據(jù)試驗結(jié)果，確定50 MPa 為發(fā)生沖擊的臨界壓力。

3 4105 工作面沖擊地壓防治

3.1 4105 工作面沖擊地壓防治原則

（1）采取巷道煤層鉆孔、爆破卸壓及底板卸壓等措施降低巷道周邊自身應(yīng)力。

（2）采取頂板預(yù)裂措施降低超前支承壓力和頂板來壓動載應(yīng)力。

（3）采取監(jiān)測預(yù)警技術(shù)及時、準確識別危險區(qū)域，對危險區(qū)域補強卸壓措施。

3.2 4105 工作面沖擊地壓防治措施

對有沖擊危險的區(qū)域采取預(yù)卸壓措施，并及時利用沖擊地壓監(jiān)測手段對其監(jiān)測檢驗治理效果，確保措施起到降低甚至消除沖擊危險的目的。同時對于監(jiān)測到的有異常礦壓顯現(xiàn)的區(qū)域，經(jīng)檢驗具有沖擊危險時必須及時采區(qū)解危措施。

（1）煤體爆破

對監(jiān)測到危險異常區(qū)域，可在回風、運輸順槽生產(chǎn)幫和煤柱幫側(cè)采用鉆機分別補打幫部爆破孔，鉆孔間距4 m，開孔位置距巷道底板1.5～2.0 m，鉆孔深度為15 m，孔徑為75 mm，封孔長度10 m，裝藥長度5 m，裝藥量13 kg，如圖3。其余參數(shù)可參照回風、運輸順槽幫部預(yù)卸壓煤體爆破孔。對于已實施幫部預(yù)卸壓煤體爆破孔的位置，煤體解危爆破孔位置應(yīng)位于原有煤體預(yù)卸壓爆破孔之間。具體施工位置根據(jù)現(xiàn)場施工條件、礦壓顯現(xiàn)情況進行調(diào)整。

圖3 幫部卸壓孔布置圖（m）

（2）頂板爆破

對回風順槽監(jiān)測到危險或煤體解危爆破孔未起到應(yīng)有卸壓效果的區(qū)域，在回風順槽原有頂板爆破孔基礎(chǔ)上補打頂板解危爆破孔。生產(chǎn)幫側(cè)每組補打1 個頂板爆破孔，爆破孔與煤層層面夾角為45°，鉆孔深38 m，保證在一個平面內(nèi)，孔徑為75 mm，間距為20 m；煤柱幫側(cè)每組補打2 個頂板爆破孔，爆破孔與煤層層面夾角為70°、45°，鉆孔深度為38 m、50 m，保證在一個平面內(nèi)，孔徑為75 mm，間距為10 m，如圖4。其余參數(shù)可參照回風順槽頂板預(yù)卸壓爆破孔。解危頂板爆破孔位置應(yīng)位于頂板原有預(yù)卸壓爆破孔之間，具體施工位置根據(jù)現(xiàn)場施工條件、礦壓顯現(xiàn)情況進行調(diào)整。

圖4 頂板卸壓孔布置圖（m）

對運輸順槽監(jiān)測到危險或煤體解危爆破孔未起到應(yīng)有卸壓效果的區(qū)域，在運輸順槽原有頂板爆破孔基礎(chǔ)上補打頂板解危爆破孔。生產(chǎn)幫側(cè)每組補打1 個頂板爆破孔，爆破孔與煤層層面夾角為60°，鉆孔深度為38 m，孔徑為75 mm，間距為20 m，其余參數(shù)可參照運輸順槽頂板預(yù)卸壓爆破孔。頂板解危爆破孔位置應(yīng)位于原有頂板預(yù)卸壓爆破孔之間，具體施工位置根據(jù)現(xiàn)場施工條件、礦壓顯現(xiàn)情況進行調(diào)整。

（3）底板爆破

對回風順槽、運輸順槽監(jiān)測到危險或底板出現(xiàn)異常底鼓的區(qū)域補打底板爆破孔?；仫L順槽、運輸順槽底板兩底角每組布置2 個底角爆破孔，爆破孔與煤層層面夾角為45°，鉆孔深度為11 m，孔徑為75 mm，鉆孔間排距均為5 m，如圖5。爆破孔參數(shù)可參照留底煤區(qū)域底板爆破孔。對于已實施底板爆破孔的位置，解危底板爆破孔位置應(yīng)位于原有預(yù)卸壓底板爆破孔之間，具體施工位置根據(jù)現(xiàn)場施工條件、礦壓顯現(xiàn)情況進行調(diào)整。

圖5 底板卸壓孔布置圖（m）

通過綜合分析礦井地質(zhì)條件、施工工藝、技術(shù)資料，結(jié)合現(xiàn)場實際，制定針對有沖擊危險的區(qū)域采取的預(yù)卸壓措施，并及時利用沖擊地壓監(jiān)測手段對其監(jiān)測檢驗治理效果。通過實踐，該針對性防治措施能有效解決來壓強度過大問題，使得4105 工作面沖擊地壓危險性顯著降低。

表1 爆破卸壓前后能量事件及來壓強度對比

4 結(jié)論

（1）通過對4105 工作面概況的分析，確定了4105 工作面沖擊地壓主控因素包括：堅硬頂板和局部區(qū)域由地質(zhì)（斷層、賦存變化等）和開采條件（煤柱、底煤、硐室等）導(dǎo)致的高應(yīng)力異常。

（2）依據(jù)4#煤試樣的平均單軸抗壓強度為22.62 MPa，確定了50 MPa 為4105 工作面發(fā)生沖擊的臨界壓力。

（3）根據(jù)4105 工作面沖擊地壓主控因素與誘發(fā)機理，遵循4105 工作面沖擊地壓防治原則，制定了4105 工作面沖擊地壓防治措施。通過實踐，該針對性防治措施能有效解決來壓強度過大問題，使得4105 工作面沖擊地壓危險性顯著降低。