深部煤層工作面沖擊地壓分析與防治

武晉飛 申玉明 楊皓博

（陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500）

沖擊地壓是煤礦開采過程中特別嚴重的動力災害[1]。由于產生沖擊地壓的因素多元性，無法預測沖擊地壓的產生，只能結合現場環(huán)境采取相應的卸壓措施。沖擊地壓與埋深呈線性相關，埋深越大，沖擊地壓越容易發(fā)生；堅硬頂板也是誘發(fā)煤礦沖擊地壓的因素；較厚煤層回采后產生的大面積采空區(qū)也會加大沖擊地壓的產生幾率[2]。因此，本文以彬長煤礦40309深部硬厚頂板工作面為工程背景，通過分析導致沖擊地壓的原因，設計合理的沖擊地壓防治方案。

1 工程背景

（1）工程概況

40309工作面位于三盤區(qū)，埋深范圍531～731 m，設計開采4號煤層，煤層賦存連續(xù)完整，掘進過程中未發(fā)現大型斷裂構造，煤層厚度19～28 m，煤層傾角0°～5°，煤層層位及結構簡單穩(wěn)定。40309工作面巷道頂底板物理力學參數見表1。

表1 巷道頂底板物理力學參數

由表1可知，40309工作面巷道直接頂屬于工程性軟巖，易受外力作用發(fā)生破碎變形；底板巖性較軟，易發(fā)生變形破壞；老頂較為堅硬，在開采過程中易積蓄大量彈性勢能。

（2）工程問題

由工程概況可知，工作面埋深較大，發(fā)生沖擊地壓的概率大大增加；煤層厚度較大，回采后形成大面積采空區(qū)，增加頂板積蓄的變形能；工作面巷道頂板屬于厚硬巖層，且頂底板穩(wěn)定性較差，易受開采擾動產生沖擊地壓。沖擊地壓威脅人員的人身安全，并導致大量經濟損失。因此分析沖擊地壓出現的原因并設計合理的卸壓方案顯得尤為重要。

2 問題機理

礦壓顯現劇烈主要是因為開采導致巷道煤層應力重新分布，垂直應力向兩幫轉移，水平應力向頂、底板中轉移。煤層受重新分布后的不均應力作用，在巷道煤層沖擊地點受高應力集中作用，于工作面頂板中蓄積大量變形能，受工作面采動影響，巖層中積蓄的彈性勢能突然大量釋放，工作面巷道圍巖受變形能沖擊作用發(fā)生變形破壞。如圖1。

圖1 工作面圍巖受力示意圖

由圖1可知，在巷道開挖后，煤巖體由三向受力變?yōu)殡p向受力，圍巖應力重新分布，受垂直方向的不均應力σy與水平方向的均布應力σx作用，不均垂直應力相互疊加形成應力峰值σmax[3]。隨著工作面回采，應力峰值σmax增大，當σmax超過煤巖體的極限破壞強度時，巷道發(fā)生片幫和冒頂，煤巖體積蓄的變形能在極短的時間大量釋放，產生沖擊地壓現象。因此，根據工作面具體條件選擇安全合理的卸壓方法至關重要。

3 卸壓方案及參數

（1）卸壓方案

沖擊地壓的主要防治方法有：煤層注水法、爆破卸壓法、鉆孔卸壓法等。煤層注水法通過高壓向煤巖層注水，破壞煤巖體結構的整體性，進而降低煤巖體中的變形能，適合易產生裂隙的煤巖體，且施工難度及成本較高。爆破卸壓法通過爆破來破壞煤巖體穩(wěn)定性，能最大限度地釋放積聚在煤體中的彈性能，有效防治沖擊地壓。但爆破卸壓需要結合工作面實際情況進行合理布置及合理的裝藥量，有一定的危險性與不確定性，不適合于存在瓦斯的工作面。鉆孔卸壓法是目前普遍使用的卸壓方法，操作難度與成本較低，適用于大多數工作面。鉆孔卸壓法是利用高應力條件下煤層中積聚的彈性能來破壞鉆孔周圍的煤體，使煤巖層卸壓、釋放能量，消除沖擊危險[4]。40309工作面瓦斯含量高，無法使用爆破卸壓法防治沖擊地壓。40309工作面埋深較大，煤體垂直應力較大，鉆孔卸壓效果顯著，且鉆孔卸壓法成本遠低于煤層注水法，鉆孔卸壓法可安全有效提高經濟效益，所以選擇鉆孔卸壓法防治沖擊地壓。其中，鉆孔直徑、間距等均為影響卸壓效果的重要因素，所以需要理論計算得出合理的鉆孔卸壓參數。

（2）鉆孔直徑

鉆孔直徑計算見式（1）、（2）。

式中：d為鉆孔直徑，mm；R為圍巖松動圈半徑，實測為820 mm；φ為煤巖體的內摩擦角，23°。代入計算得鉆孔的直徑為133.8 mm，取133 mm。

（3）鉆孔間距

鉆孔間距計算見式（3）。

式中：ε為安全變量，0.2；k為安全系數，1.1；h為煤層平均厚度，23.5 m。代入計算得鉆孔的間距應小于3.251 m，孔間距取3.2 m。

（4）鉆孔深度

卸壓鉆孔深度位于煤柱應力峰值區(qū)時卸壓效果較為顯著。根據現場實測發(fā)現：40309工作面煤柱側應力峰值區(qū)范圍為12～16 m，回采側應力峰值區(qū)范圍為28～32 m，煤層底板極限平衡區(qū)范圍為8～12 m。

（5）鉆孔卸壓具體方案

幫部卸壓區(qū)域超前工作面300 m。幫部卸壓鉆孔直徑為133 mm，孔間距為3.2 m，根據工作面應力峰值區(qū)范圍確定煤柱側鉆孔深度為15 m，回采側鉆孔深度為30 m，封孔長度4 m。鉆孔布置方式如圖2。

圖2 幫部大直徑卸壓鉆孔布置示意圖

底板卸壓鉆孔直徑133 mm，鉆孔與水平面夾角為60°，孔間距3.2 m，根據煤層底板極限平衡區(qū)范圍確定鉆孔深度為10 m，封孔長度2 m。鉆孔布置如圖3。

圖3 底板大孔徑卸壓鉆孔布置示意圖

4 現場實測

在40309工作面及相鄰未卸壓工作面回采巷道非回采幫每30 m安裝一組鉆孔應力監(jiān)測計，對卸壓區(qū)殘余支承應力進行監(jiān)測，與相鄰未卸壓工作面殘余支承應力進行比較，觀察鉆孔卸壓方案的應用效果。圖4為殘余支承應力變化曲線（取每個測點數據的平均值）。

圖4 殘余支承應力變化曲線

從圖4可以看出，相鄰未卸壓工作面殘余支承應力峰值為14 MPa，鉆孔卸壓工作面殘余支承應力峰值為9.8 MPa。鉆孔卸壓后應力峰值下降1.4倍，應力峰值向巷幫深部轉移20 m，穩(wěn)定性顯著提高。

5 結論

（1）誘發(fā)40309工作面沖擊地壓的因素有：工作面較大的埋深及較厚煤層回采形成的較大空間采空區(qū)。

（2）針對40309工作面產生沖擊地壓的原因，結合工作面實際情況選用鉆孔卸壓法防治沖擊地壓。

（3）鉆孔卸壓方案將煤巖殘余支承應力峰值降低1.4倍，應力集中區(qū)域向深部轉移20 m。