堅(jiān)硬頂板鄰空巷道掘進(jìn)沖擊地壓防治技術(shù)

李躍文，溫穎遠(yuǎn)，曹安業(yè)，薛成春，谷 雨，呂國(guó)偉

（1.上海大屯能源股份有限公司 徐莊煤礦，江蘇 徐州221600；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

近年來(lái)，隨著礦井開(kāi)采深度逐漸加大和地質(zhì)條件復(fù)雜性的提升，越來(lái)越多的生產(chǎn)礦井出現(xiàn)了沖擊地壓現(xiàn)象，沖擊地壓已成為制約礦井安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。研究表明，厚度大于10 m的堅(jiān)硬頂板容易造成頂板大面積來(lái)壓、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害，針對(duì)該問(wèn)題，諸多專(zhuān)家學(xué)者從發(fā)生機(jī)理、監(jiān)測(cè)及防治解危等方面進(jìn)行了深入的研究。竇林名等[1]建立了圍巖力學(xué)模型分析了圍巖應(yīng)力分布及演變規(guī)律，基于此分析了頂板型沖擊礦壓機(jī)理和類(lèi)型。呂進(jìn)國(guó)等[2]研究了巨厚堅(jiān)硬頂板條件下斷層誘發(fā)沖擊礦壓的機(jī)制，認(rèn)為被斷層切割的堅(jiān)硬頂板的大面積活動(dòng)為沖擊地壓的發(fā)生提供了動(dòng)載條件。劉剛等[3]采用RFPA2D對(duì)堅(jiān)硬頂板、堅(jiān)硬煤層、堅(jiān)硬底板三體模型進(jìn)行沖擊傾向性數(shù)值試驗(yàn)研究。李新華等[4]采用微震及礦壓監(jiān)測(cè)方法確定了堅(jiān)硬直接頂超前工作面破斷的位置及頂板周期來(lái)壓步距，分析了回采工作面沖擊地壓的能量來(lái)源和致災(zāi)機(jī)理。曹安業(yè)等[5]研究了鄰近斷層處孤島工作面開(kāi)采時(shí)斷層煤柱的受力狀態(tài)與動(dòng)力顯現(xiàn)的發(fā)生機(jī)理，利用震動(dòng)波CT技術(shù)對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)警。楊敬軒等[6]采用理論分析、物理相似模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)堅(jiān)硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)的破斷沖擊效應(yīng)進(jìn)行了分析。姚麗芳[7]針對(duì)堅(jiān)硬頂板和高應(yīng)力的開(kāi)采條件，對(duì)工作面開(kāi)采過(guò)程中微震事件的時(shí)空演化規(guī)律進(jìn)行了分析，確定沖擊地壓預(yù)警指標(biāo)值，建立聯(lián)合指標(biāo)對(duì)沖擊地壓進(jìn)行預(yù)報(bào)。黃炳香等[8]針對(duì)煤礦堅(jiān)硬頂板硬度大、整體性強(qiáng)、分層厚度大等特點(diǎn)，提出堅(jiān)硬頂板水壓致裂控制的理論與成套技術(shù)框架。李浩蕩等[9]針對(duì)某礦堅(jiān)硬厚層頂板條件下采煤工作面發(fā)生的沖擊地壓災(zāi)害,分析了災(zāi)害發(fā)生的原因并提出了防治原則。郭德勇等[10]針對(duì)堅(jiān)硬難垮落頂板控制問(wèn)題，采用聚能爆破方法弱化堅(jiān)硬頂板。王濤等[11]針對(duì)忻州窯煤礦11#煤層回采時(shí)鄰空煤柱側(cè)巷道多發(fā)沖擊地壓的現(xiàn)狀，分析了鄰空煤柱巷道側(cè)沖擊地壓的成因和受夾持煤體的沖擊失穩(wěn)過(guò)程，制定了利用瓦斯巷開(kāi)展斷頂卸壓爆破的解危方案。

上述研究結(jié)果對(duì)礦井由堅(jiān)硬頂板引發(fā)的沖擊地壓起到了很好的指導(dǎo)作用和防治解危效果，但目前大部分研究成果主要服務(wù)于工作面回采期間，而對(duì)于巷道掘進(jìn)期間由堅(jiān)硬頂板引發(fā)的強(qiáng)礦震和沖擊地壓?jiǎn)栴}缺少深入的分析和有效的防治手段。針對(duì)徐莊煤礦7335工作面材料道掘進(jìn)期間沖擊顯現(xiàn)問(wèn)題，采用理論分析和微震監(jiān)測(cè)確定大能量震動(dòng)發(fā)生的空間位置，分析了大能量礦震發(fā)生的影響因素，針對(duì)性地提出以頂板超前預(yù)裂爆破和大直徑鉆孔卸壓為主的防治解危措施，并進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)效果檢驗(yàn)。

1 工程背景

1.1 生產(chǎn)技術(shù)條件

徐莊煤礦主采煤層為7煤和8煤，7335工作面回采7煤，煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性。工作面為Ⅱ（3）采區(qū)7煤層第2個(gè)區(qū)段工作面，區(qū)段煤柱寬度為5 m，工作面南部為7333工作面采空區(qū)，北部為實(shí)體煤，東部為井田邊界，西部為Ⅱ（3）采區(qū)上山。

工作面開(kāi)采深度為650~730 m，工作面煤層平均厚度4.76 m，直接頂為6.7 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為7.23 m的中砂巖，并且煤層上方賦存多層厚硬巖層。7335材料道掘進(jìn)期間共揭露8條斷層，其中斷層對(duì)巷道掘進(jìn)影響較大，落差4.6 m。

1.2 礦壓顯現(xiàn)異常情況

7335工作面材料道掘進(jìn)期間應(yīng)力集中程度較高，經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、吸鉆等動(dòng)力現(xiàn)象，并且礦震頻發(fā)，發(fā)生多次能量大于1×104J大能量礦震事件，造成掘進(jìn)面劇烈振動(dòng)，顯現(xiàn)最劇烈的位置為綜掘機(jī)位置，迎頭后方10~20 m范圍內(nèi)頂?shù)装寮皫筒孔冃瘟繛?00~300 mm，無(wú)錨桿和錨索斷裂情況。

2 大能量礦震發(fā)生的能量大小及空間位置

7335材料道掘進(jìn)期間共發(fā)生多次大能量礦震事件，在2017年11月21日至2018年1月27日掘進(jìn)期間，有詳細(xì)報(bào)告記錄的4次大能量礦震事件能量大小分別為 1.3×106、1.09×106、4.90×105、1.84×105J。

根據(jù)SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)礦震事件的三維定位，4次大能量礦震事件均位于7335材料道內(nèi)側(cè)，考慮到震源垂直方向存在一定的定位誤差，以及材料道現(xiàn)場(chǎng)顯現(xiàn)情況，經(jīng)分析認(rèn)為大能量礦震震源均處于煤層上方的厚硬頂板中。

3 大能量礦震發(fā)生原因分析

3.1 頂板與采掘擾動(dòng)影響

根據(jù)工作面綜合柱狀圖（略）可以發(fā)現(xiàn)，7335工作面上方賦存多層厚硬巖層，受7333采空區(qū)上方頂板巖層垮落不充分影響，易積聚較高彈性能；在7335材料道掘進(jìn)期間受掘進(jìn)擾動(dòng)影響，靠近材料道未充分跨落巖層容易發(fā)生二次運(yùn)動(dòng)和失穩(wěn)，從而引起大能量礦震的發(fā)生。因此，7335工作面掘進(jìn)活動(dòng)擾動(dòng)和巷道上方鄰空側(cè)厚硬頂板懸頂是大能量礦震事件發(fā)生的主要誘因。

3.2 斷層影響

大能量礦震發(fā)生期間，7335材料道掘進(jìn)頭附近發(fā)育多條落差大于3 m的斷層構(gòu)造，根據(jù)2017年10月24日—11月24日間礦震數(shù)據(jù)定位情況，礦震多發(fā)生在斷層區(qū)域及斷層延展方向附近，礦震能量多為100~1 000 J，但在斷層影響區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生1次1.3×106J的大能量礦震。

3.3 煤層厚度變化影響

統(tǒng)計(jì)分析表明，煤層厚度的變化對(duì)沖擊地壓的發(fā)生是有很大影響，在厚度突然變薄或者變厚處，往往易發(fā)生沖擊地壓。根據(jù)實(shí)測(cè)地質(zhì)資料顯示，材料道掘進(jìn)期間存在約200 m范圍煤層厚度變化較大區(qū)域，材料道在煤層厚度變化區(qū)域掘進(jìn)期間，礦震頻發(fā)，并且能量較大。

3.4 掘進(jìn)速度變化影響

選取2017年11月8日至2017年11月17日和2018年1月19日至2018年1月28日2個(gè)階段的礦震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，掘進(jìn)速度變化影響礦震能量及頻次對(duì)比圖如圖1。

圖1 掘進(jìn)速度變化影響礦震能量及頻次對(duì)比圖

從圖1可以得出，當(dāng)7335工作面掘進(jìn)速度加快，礦震能量升高，頻次降低，主要以大能量礦震為主；當(dāng)掘進(jìn)速度降低時(shí)，礦震能量降低，頻次升高，主要以小能量礦震為主。因此巷道掘進(jìn)速度的變化，也影響礦震能量及頻次的變化。

4 掘進(jìn)期間沖擊地壓防治措施及效果

根據(jù)以上微震實(shí)測(cè)及理論分析，大能量礦震事件的發(fā)生是受鄰空側(cè)巷道掘進(jìn)期間擾動(dòng)影響，導(dǎo)致相鄰采空區(qū)堅(jiān)硬頂板的破斷垮落，從而釋放出較大的能量事件，同時(shí)動(dòng)載應(yīng)力波可能誘發(fā)具有沖擊傾向性的煤體發(fā)生沖擊地壓。因此，針對(duì)堅(jiān)硬頂板條件下鄰空側(cè)巷道掘進(jìn)期間的沖擊危險(xiǎn)性，在傳統(tǒng)的大直徑鉆孔卸壓措施基礎(chǔ)上，提出了頂板超前爆破致裂方案，同時(shí)降低掘進(jìn)速度。

4.1 大直徑鉆孔卸壓方案

巷道迎頭按正三角施工卸壓孔，鉆孔間距1 m，下部孔位置距巷道底板向上1 m，上部孔與下部孔呈等邊三角形布置。鉆孔順煤層走向方向，平行于煤層層理，孔深取15 m。保證掘進(jìn)施工過(guò)程中卸壓孔始終超前迎頭5 m

在巷道幫部布置大直徑卸壓鉆孔，卸壓鉆孔間距1.6 m，孔深取15 m，若驗(yàn)證孔煤粉量≥臨界值，則縮小鉆孔間距，在原2個(gè)鉆孔之間施工卸壓鉆孔。鉆孔平行于煤層傾角，保證幫卸壓鉆孔滯后迎頭小于5 m。

4.2 頂板超前爆破卸壓方案

根據(jù)大能量礦震定位的巖層層位以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)7335材料道上方頂板40 m范圍內(nèi)厚硬巖層實(shí)施頂板爆破，從而釋放頂板中的部分能量，同時(shí)切斷頂板的能量傳遞通道，使巷道處于周?chē)纬善扑閰^(qū)保護(hù)圈內(nèi)。

巷道兩幫各布置1個(gè)炮孔，炮孔直徑75 mm，孔深50 m，實(shí)體煤幫炮孔角度與巷道走向和水平方向角度范圍分別為 10°~15°和 30°~35°，靠近采空區(qū)側(cè)其角度分別為≤5°和25°~30°，炮孔間距約為35 m，即始終保持15 m的卸壓帶，炮孔剖面布置示意圖如圖2。

圖2 炮孔剖面布置示意圖

每孔裝藥長(zhǎng)度20 m，裝藥量60 kg，封孔長(zhǎng)度為15 m，采用導(dǎo)爆索一次性起爆，并且2個(gè)炮孔同時(shí)起爆，頂板深孔爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

圖3 深孔爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 降低掘進(jìn)速度

嚴(yán)格控制巷道掘進(jìn)速度，不超過(guò)4 m/d，降低掘進(jìn)活動(dòng)對(duì)頂板的擾動(dòng)影響，加強(qiáng)礦壓監(jiān)測(cè)和頂板支護(hù)強(qiáng)度。

4.4 效果檢驗(yàn)

對(duì)實(shí)施卸壓措施處理前后巷道微震事件日能量和及日發(fā)生頻次進(jìn)行了分析，現(xiàn)選取2017年11月1日—11月30日（主要采取煤層大直徑鉆孔卸壓措施）和2017年12月1日—12月31日（采取降低掘進(jìn)速度、頂板爆破卸壓及鉆孔卸壓等措施）2個(gè)時(shí)間段的礦震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2個(gè)時(shí)間段礦震能量及頻次時(shí)間序列圖如圖4。在11月1日—11月30日期間（無(wú)11月21日和11月26日2次大礦震數(shù)據(jù)），礦震釋放的總能量約為2.46×106J，而在12月1日—12月31日期間，礦震釋放的總能量約為1.78×106J，加強(qiáng)防沖措施后礦震釋放總能量約為加強(qiáng)前礦震釋放總能量的72.4%。

圖4 能量與頻次時(shí)間序列圖

圖4 表明當(dāng)進(jìn)行巷道頂板超前預(yù)裂爆破后，微震事件能量和及頻次都下降，尤其是能量下降顯著。雖然在2018年1月3日和1月27日發(fā)生了2次大能量礦震事件，但相對(duì)于2017年11月21日和11月26日2次大能量礦震事件，其能量級(jí)均由106J降到了105J，由此說(shuō)明頂板預(yù)裂爆破措施顯著降低了圍巖釋放能量，從而有效降低了工作面掘進(jìn)期間沖擊地壓危險(xiǎn)。

5 結(jié)論

1）7335工作面材料道掘進(jìn)期間引起的大能量礦震事件主要位于煤層上方堅(jiān)硬頂板巖層。

2）大能量礦震事件發(fā)生主要是工作面掘進(jìn)擾動(dòng)引起頂板二次活動(dòng)引起的，同時(shí)受到斷層構(gòu)造、煤層厚度變化及掘進(jìn)速度過(guò)快等因素綜合影響。

3）針對(duì)7335工作面材料道堅(jiān)硬頂板賦存條件和掘進(jìn)期間沖擊顯現(xiàn)情況，在傳統(tǒng)的大直徑鉆孔卸壓措施基礎(chǔ)上，提出頂板深孔爆破和降低掘進(jìn)速度等措施，微震監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示降低了工作面掘進(jìn)期間的沖擊危險(xiǎn)性。