堅硬頂板工作面沖擊地壓防治技術(shù)研究及應(yīng)用實踐

張丁丁

（山東能源集團(tuán)防沖中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

1 工程概況

亭南煤礦煤層埋深大，賦存條件復(fù)雜，煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂板和底板巖層具有弱沖擊傾向性。309 工作面位于礦井三盤區(qū)，工作面內(nèi)斷層發(fā)育，煤層上方巖層多以砂巖為主，頂板厚度特征參數(shù)超過92.4，上覆100 m 范圍內(nèi)存在兩層單層厚超過15 m、單軸抗壓強(qiáng)度超過60 MPa 的堅硬巖層。

2 工作面沖擊機(jī)理分析

百萬噸煤炭發(fā)生沖擊地壓次數(shù)Wt與采深H之間存在非線性對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)埋深超過700 m 后，百萬噸煤炭發(fā)生沖擊地壓次數(shù)為0.3。工作面埋深超700 m，其上覆巖層產(chǎn)生的自重應(yīng)力是工作面巷道周圍煤巖體所受應(yīng)力的主要來源，對工作面沖擊地壓有較大影響。

堅硬厚層頂板容易聚積大量的彈性能[1]，在其破斷或滑移過程中，所積聚的彈性能突然釋放，容易形成強(qiáng)烈震動，導(dǎo)致沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生。特別是頂板在初次和周期斷裂期間，工作面附近煤體應(yīng)力將會產(chǎn)生明顯變化，這種煤體應(yīng)力的變化一方面是頂板懸頂長度達(dá)到極限跨度前，懸臂梁對煤體施加的夾持力[2]增大造成的；另一方面，垮落巖層不足以填滿采空區(qū)，造成上部巖層懸露，巖梁將自身及其上部巖層重量都加到采煤工作面周圍的煤體上，隨著工作面的繼續(xù)回采導(dǎo)致厚層老頂?shù)钠茢嗯c初次垮落以及隨后的周期回轉(zhuǎn)失穩(wěn)對工作面的礦壓顯現(xiàn)造成強(qiáng)烈的影響，這種影響對工作面沖擊地壓危害的發(fā)生起到誘發(fā)作用。一般情況下，在頂板來壓期間，煤體的沖擊危險會有所升高，此間，煤體可在高夾持應(yīng)力作用下發(fā)生破壞，聚集的能量突然釋放形成沖擊地壓，也可以是處于較高應(yīng)力狀態(tài)的煤體在堅硬厚層頂板巖層突然破斷產(chǎn)生的強(qiáng)烈震動作用下發(fā)生沖擊破壞，如圖1。

圖1 上覆巖層活動誘發(fā)沖擊

斷層處巖層的不連續(xù)性導(dǎo)致斷層本身的不穩(wěn)定性。隨著工作面的推進(jìn)，其超前支承壓力的影響范圍不斷向前發(fā)展，當(dāng)?shù)竭_(dá)斷層影響區(qū)域后，斷層兩側(cè)本身的殘余構(gòu)造應(yīng)力與工作面超前支承壓力疊加[3]，使斷層附近的支承壓力增高，形成新的高應(yīng)力區(qū)。斷層面（帶）與工作面之間的中間區(qū)域為應(yīng)力疊加高峰區(qū)，如果斷層本身屬于容易積聚能量的類型，則疊加后的應(yīng)力高峰區(qū)位置同樣容易積聚更大的能量。據(jù)現(xiàn)有成果，當(dāng)工作面推近上述斷層構(gòu)造時，相當(dāng)于工作面單邊卸壓，形成高應(yīng)力差，存在誘發(fā)沖擊地壓的可能。斷層構(gòu)造應(yīng)力對沖擊地壓影響機(jī)理如圖2 所示。隨著工作面的推進(jìn)，其超前支承壓力的影響范圍不斷向前發(fā)展，當(dāng)?shù)竭_(dá)斷層影響區(qū)域后，斷層本身構(gòu)造應(yīng)力與回采工作面的超前支承壓力疊加，使斷層附近的支承壓力增高，重新分布，斷層與工作面中間區(qū)域為應(yīng)力疊加高峰區(qū)，如果斷層本身能夠積聚能量，當(dāng)集聚到一定程度時，可能發(fā)生沖擊地壓。研究表明，斷層落差是決定斷層區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力大小的主要影響因素。

圖2 斷層構(gòu)造對沖擊地壓影響示意圖

3 針對性治理措施

沖擊地壓發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，究其根源是作用于巷道周圍煤巖體的應(yīng)力大于煤巖體所能承受最大載荷，能量瞬間釋放，造成破壞。對于巷道周圍煤巖體所受應(yīng)力合理有效處理是解決沖擊地壓的關(guān)鍵。解除力源或者阻斷力源傳遞，增大巷道周圍煤巖體抗沖擊破壞能力，做到卸與抗合理配合[4]是現(xiàn)階段解決巷道圍巖體所受應(yīng)力的根本措施。經(jīng)分析，11309 工作面巷道所受應(yīng)力來源主要有上覆巖層自重應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力，除采取常規(guī)卸壓及監(jiān)測措施外，采取了加強(qiáng)支護(hù)、煤層及頂板爆破的措施，從根源上治理沖擊力源的同時，強(qiáng)化重點(diǎn)區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度，做到標(biāo)本兼治。

3.1 強(qiáng)化主動支護(hù)

沖擊地壓造成的破壞是在巷道周圍煤巖體的靜應(yīng)力與沖擊載荷的動應(yīng)力疊加下的作用結(jié)果，動靜載荷下上覆巖層總應(yīng)力，經(jīng)原巖層的傳遞、卸壓層的衰減、錨固層的耗散后[5]，作用在可縮性液壓支架組成的巷內(nèi)支護(hù)層上，支護(hù)層的支護(hù)強(qiáng)度是否大于通過各多層圓環(huán)的傳遞后最終作用在巷道內(nèi)支護(hù)層上的應(yīng)力，是決定是否發(fā)生沖擊地壓的關(guān)鍵。

鑒于309 工作面埋深大，上覆堅硬厚巖層及多構(gòu)造的賦存特征，該工作面加大了主動與被動支護(hù)，通過加大錨桿錨索長度，在幫部施工錨索支護(hù)的措施，擴(kuò)大錨固層范圍，來加大主動支護(hù)層支護(hù)強(qiáng)度。主要支護(hù)參數(shù)如下。頂板支護(hù)：采用錨桿配合錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用Φ22 mm×2800 mm 無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距900 mm×900 mm；錨索采用長度為8500 mm 的1×19 標(biāo)準(zhǔn)型-21.8-1860-∏型預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索并排三路布置，巷中布置一路，各偏巷中1800 mm 布置一路。幫部采用錨桿加錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿采用Φ22 mm×2800 mm 無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距1000 mm×900 mm；錨索采用長度為4500 mm 的1×19標(biāo)準(zhǔn)型-21.8-1860-∏型預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索并排兩路布置。具體如圖3。

圖3 巷道支護(hù)示意圖（mm）

3.2 強(qiáng)化工作面被動支護(hù)

工作面兩順槽發(fā)生沖擊地壓事故時，順槽被動支護(hù)是最后一道防線，兩順槽被動支護(hù)是否能扛得住是關(guān)系到人員生死存亡的關(guān)鍵。在工作面發(fā)生沖擊地壓事故時，當(dāng)高強(qiáng)度可伸縮液壓支架所受載荷小于其工作阻力時，能對其所支護(hù)區(qū)段巷道進(jìn)行相對主動支護(hù)，當(dāng)其所受瞬間沖擊載荷大于其工作阻力時，又能通過卸載閥卸載，對瞬間沖擊進(jìn)行緩沖，保證所支護(hù)區(qū)段巷道不會發(fā)生破壞。309 工作面兩槽超前支護(hù)采用ZCZ12700/24/40 型超前液壓支架組支護(hù)，超前支護(hù)距離20 m，同時在超前架組外采用雙排ZQ4000/20.6/45 型單元式超前液壓支架支護(hù)距離180 m，這樣實現(xiàn)了對重點(diǎn)管控區(qū)域的高強(qiáng)度支護(hù)。

3.3 頂板爆破從根本解決沖擊力源

309 工作面上方100 m 范圍內(nèi)有兩層堅硬厚巖層，除由于其本身及其上覆巖層產(chǎn)生的自重應(yīng)力是巷道煤巖體所受靜載的主要力源，堅硬巖層周期性斷裂或者滑移是造成工作面沖擊地壓事故動載的主要來源。工作面回采前，對煤層上覆堅硬厚頂板進(jìn)行爆破處理，能促進(jìn)關(guān)鍵層位巖層的垮落，減小極限跨距，在降低由于關(guān)鍵層位大面積懸頂導(dǎo)致高靜載的同時形成爆破松動圈，在更高位巖層運(yùn)動時，形成吸能緩沖層，能有效防止大面積懸頂形成的靜載和高位巖層運(yùn)動形成的動載對煤體的破壞。在構(gòu)造影響區(qū)域進(jìn)行爆破，在解決上覆堅硬巖層的同時，誘發(fā)構(gòu)造應(yīng)力提前充分釋放，防止構(gòu)造應(yīng)力與采動擾動疊加，誘發(fā)沖擊。

從兩順槽切眼以外20 m 開始至停采線以外40 m 均施工頂板爆破孔，組間距10 m，孔徑為Φ94 mm，每組布置3 個鉆孔，2 個面內(nèi)預(yù)裂孔，1 個垂直頂板。1#、2#面內(nèi)預(yù)裂孔方位角均為4°，仰角分別為61°、76°，孔深分別為63 m、58 m；3#靠近生產(chǎn)幫垂直頂板，仰角86°，孔深57 m。炸藥選用礦用被筒炸藥，藥卷直徑60 mm，每米裝藥量約為3.14 kg，裝藥量可根據(jù)實際情況調(diào)整。具體如圖4 和表1。

圖4 頂板爆破示意圖

表1 兩順槽爆破斷頂孔參數(shù)表

4 治理方案效果驗證

4.1 微震監(jiān)測效果驗證

工作面回采過程中采用ARAMIS 微震監(jiān)測系統(tǒng)對工作面回采過程中產(chǎn)生的煤巖破裂進(jìn)行監(jiān)測，對回采工作面開切眼至停采線范圍的微震活動規(guī)律進(jìn)行分析。在此期間共監(jiān)測到22 701 個微震事件。總能量為2.8×106J，平均能量為123.34 J，最大能量8400 J，平均每米釋放能量為2 124.4 J。隨著能量級的增大，微震事件數(shù)呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，表現(xiàn)為“高頻低能”的能量釋放形式。能量小于102J 的微震事件最多，占比74.42%；能量在102～103J范圍內(nèi)的微震事件數(shù)目為5384 次，占比23.71%。總能量為1.6×106J，總能量最大，占所有事件總能量的57.1%。能量在103～104J 范圍內(nèi)的微震事件為421 次，占比1.85%，數(shù)目最少，表明在工作面回采過程中圍巖積聚能量可以均勻釋放，降低了應(yīng)力集中突發(fā)釋放而造成沖擊事件的情況發(fā)生。同時單日最大能量釋放也具有明顯的周期性，每4～5 d 單日最大能量達(dá)到高峰，大能量釋放步距與頂板爆破孔組間距基本一致，說明頂板爆破組間距直接影響上覆巖層垮落步距。

4.2 初次來壓與周期來壓期間

工作面回采至（含）切眼9 m 時工作面老頂初次來壓步距53.4 m，來壓時頂板壓力增大，周期來壓期間壓力顯現(xiàn)不明顯，來壓持續(xù)1～3 d，運(yùn)輸順槽端頭周期來壓步距14.2～27 m，平均20.6 m，動壓系數(shù)1.03～1.33，平均1.18；工作面中部周期來壓步距從12.3～27 m，平均19.7 m，動壓系數(shù)1.03～1.22，平均1.13；回風(fēng)順槽端頭周期來壓步距從11.9～27.8 m，平均19.9 m，動壓系數(shù)1.07～1.31，平均1.19?？梢?，無論是運(yùn)輸順槽端頭、回風(fēng)順槽端頭還是工作面中部來壓步距大多數(shù)分布均勻，周期來壓步距基本是頂板爆破組間的2 倍，說明頂板爆破組間距直接影響工作面周期來壓步距，降低周期來壓強(qiáng)度。

4.3 兩巷煤體應(yīng)力監(jiān)測

工作面回采期間，工作面兩順槽安裝KJ550 應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，對兩順槽超前工作面300 m 進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。工作面開采過程中兩順槽應(yīng)力值變化平穩(wěn)，未超過預(yù)警值，應(yīng)力值在4.2～7.8 MPa 之間，均在正常值范圍，說明工作面兩順槽壓力較小，支護(hù)層支護(hù)區(qū)域內(nèi)整體塑性破壞不明顯。15 m 深處的應(yīng)力集中程度明顯大于9 m 深處的應(yīng)力集中程度，說明強(qiáng)支護(hù)滿足支護(hù)強(qiáng)度要求。加長支護(hù)錨桿長度，增加錨索支護(hù)使得煤體支護(hù)圈擴(kuò)大，應(yīng)力集中區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移。

5 結(jié)論

通過加大回采工作面兩順槽主動、被動支護(hù)，巷道周圍煤巖體抗沖擊能力得到增強(qiáng)，塑性破壞得到明顯改善。通過對頂板關(guān)鍵層位爆破，減小工作面來壓步距，增加頂板裂隙發(fā)育，縮短關(guān)鍵層位極限垮落步距，避免形成長距離懸頂產(chǎn)生的靜載，擠壓工作面煤體，又對關(guān)鍵層位破斷或者滑移產(chǎn)生的能量進(jìn)行緩沖和釋放，防止沖擊地壓的發(fā)生。構(gòu)造區(qū)域進(jìn)行爆破，誘發(fā)微震事件的發(fā)生，使構(gòu)造區(qū)域積聚的能量得以釋放，解決了構(gòu)造應(yīng)力與采動應(yīng)力疊加誘發(fā)沖擊的問題。