朱春華，夏永學(xué)，馮美華

(1.吉林省煤業(yè)集團(tuán)，吉林長春130000;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013; 3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013)

深部煤炭資源是我國21世紀(jì)主體能源的戰(zhàn)略保障，我國已經(jīng)探明的深度在1000m以下的煤炭儲量達(dá)到2500Gt。

隨著開采深度的不斷增加，華東、華北、東北主要產(chǎn)煤地區(qū)數(shù)十個(gè)大型礦井深度接近或超過千米。在深部開采條件下，圍巖應(yīng)力高，開采條件更加復(fù)雜，導(dǎo)致沖擊地壓礦井的數(shù)量和發(fā)生的強(qiáng)度都大大增加，深部煤礦沖擊地壓災(zāi)害已經(jīng)成為安全高效開采面臨的重大難題［1］。

龍家堡煤礦位于吉林省九臺市，為吉林省第一座現(xiàn)代化礦井，產(chǎn)量為3Mt/a。目前開采區(qū)域采深大都超過1000m，最大控制采深1450m。開采地質(zhì)條件較為復(fù)雜，屬于典型水平構(gòu)造應(yīng)力場。直接頂為泥巖，厚度為5～30m，性脆易冒落?；卷敒榛揖G色凝灰?guī)r及礫巖，平均厚度30m，平均單軸抗壓強(qiáng)度為36.3MPa，屬于中等堅(jiān)硬偏軟巖層。底板由相對較軟的粉砂和泥巖組成。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為含夾矸較多的復(fù)合厚煤層，設(shè)計(jì)采用綜合機(jī)械化放頂煤開采。近年來，礦井沖擊地壓頻發(fā)，由此帶來的安全威脅也日趨嚴(yán)重，迫切需要開展沖擊地壓防治技術(shù)研究。

1 龍家堡煤礦沖擊地壓顯現(xiàn)特點(diǎn)及主要影響因素

1.1 沖擊地壓顯現(xiàn)的主要特點(diǎn)

龍家堡煤礦沖擊地壓的發(fā)生主要有以下特點(diǎn):

(1)沖擊地壓發(fā)生點(diǎn)多面廣，不僅回采巷道具有強(qiáng)烈的沖擊顯現(xiàn)，掘進(jìn)巷道 (包括原巖掘進(jìn)巷道)和采區(qū)上、下山巷道也具有明顯的沖擊現(xiàn)象。

(2)沖擊顯現(xiàn)表現(xiàn)為煤層沖擊，常伴有巨大聲響，震感強(qiáng)烈，甚至波及到地表，巷道變形嚴(yán)重(主要為底鼓)，巷道支護(hù)體受到嚴(yán)重?fù)p壞，工作面也伴隨片幫冒頂現(xiàn)象，對生產(chǎn)影響很大。

(3)隨著開采深度的不斷增加和采空區(qū)范圍的不斷加大，沖擊地壓發(fā)生的頻次和強(qiáng)度也呈現(xiàn)快速增加的趨勢。

1.2 沖擊地壓的主要影響因素分析

(1)煤層具有沖擊傾向性 煤巖層沖擊傾向性揭示了煤巖層是否具有積聚大量能量并在破壞時(shí)瞬間釋放的基本屬性，煤巖層的沖擊傾向是其產(chǎn)生沖擊地壓的必要條件［2］。對－770m水平煤巖沖擊傾向性測定結(jié)果表明，所采的Ⅱ+Ⅲ復(fù)合煤層具有弱沖擊傾向，為沖擊地壓形成提供必要條件。

(2)開采深度遠(yuǎn)超沖擊地壓發(fā)生的臨界采深沖擊地壓的發(fā)生和煤層埋深有較大關(guān)系，統(tǒng)計(jì)分析表明開采深度越大，沖擊地壓發(fā)生的可能性也越大。隨著開采深度的不斷增加，沖擊地壓事故數(shù)量和一次死亡人數(shù)成逐年上升趨勢［3］。龍家堡煤礦目前開采的－880m水平，對應(yīng)地面標(biāo)高為200～205m，其開采垂直深度均在1000m以下，就開采深度而言，開采煤層已完全具備沖擊地壓發(fā)生的埋深條件。

(3)礦井水平構(gòu)造應(yīng)力大 在較高的應(yīng)力場下巷道軸線方向與最大水平主應(yīng)力方向夾角不同時(shí)，對圍巖的破壞影響程度不同，不同應(yīng)力場狀態(tài)引起的巷道圍巖破壞特征也不同［4－5］。原始地球板塊運(yùn)動造成的水平構(gòu)造應(yīng)力的集聚是造成高應(yīng)力巷道頂、底板破壞的主要力源。－880m水平地應(yīng)力測試表明，龍家堡礦區(qū)地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平應(yīng)力為垂直主應(yīng)力的1.39～1.42倍，說明區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力較高。

(4)斷層活化 龍家堡煤礦地質(zhì)構(gòu)造以斷層為主，斷層分布極為復(fù)雜。在采掘工作面推進(jìn)至斷層附近時(shí)，引起斷層本身的突然錯(cuò)動，容易誘發(fā)礦壓顯現(xiàn)［6］。307和410工作面微震定位結(jié)果見圖1。307工作面接近F13斷層時(shí)，沖擊事件主要沿?cái)鄬幼呦蚍植?410工作面初采期間，沖擊事件主要位于切眼后方DF98斷層附近，由圖1可知，高能量微震事件大都集中在斷層附近，斷層活化是造成采掘巷道沖擊地壓發(fā)生的主要原因之一。

(5)區(qū)段煤柱 合理的煤柱尺寸能最大限度地限制在采場和巷道附近形成危險(xiǎn)的應(yīng)力集中帶，從而有效減輕開采過程中的沖擊危險(xiǎn)性［7］。龍家堡煤礦目前區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為20m，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果表明 (見圖2)，當(dāng)煤柱寬度為18～30m時(shí)，煤柱應(yīng)力集中程度最高，沖擊危險(xiǎn)性最大?，F(xiàn)場微震監(jiān)測結(jié)果表明 (見圖3)，高能沖擊事件大都分布在409工作面和307采空區(qū)之間的20m煤柱附近，沖擊破壞也主要以煤柱側(cè)煤體沖出和巷道底鼓為主。因此，不合理的區(qū)段煤柱寬度是誘發(fā)巷道沖擊地壓的重要原因。

圖1 斷層附近高能沖擊事件分布

圖2 不同區(qū)段煤柱寬度巷道周邊應(yīng)力分布情況

圖3 409開采時(shí)煤柱影響區(qū)沖擊事件分布

2 沖擊地壓防治與解危措施

2.1 防治與解危手段的選擇

沖擊地壓的防治主要有區(qū)域性防治和局部性防治技術(shù)，區(qū)域性防治主要涉及采區(qū) (工作面)布置、開采方法等，區(qū)域性防治技術(shù)是改善沖擊地壓威脅的根本性措施［8］。但是由于種種原因，礦井在開采設(shè)計(jì)時(shí)并未充分考慮沖擊地壓的影響，當(dāng)開采格局已經(jīng)形成后，只能采取局部性的卸壓措施。卸壓措施主要包括:煤層卸壓爆破、煤層注水、煤層大直徑卸壓孔、頂板超前預(yù)裂、面后切頂爆破等，這些措施實(shí)施的對象一般為煤層或頂板［9］。合理防治方法的選擇應(yīng)根據(jù)導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的力源因素、施工難易程度和施工成本綜合確定。

2.1.1 針對頂板采取卸壓措施的合理性分析

針對頂板采取卸壓措施 (如頂板爆破)，一方面可以減小頂板懸露面積，從而降低頂板彎曲彈性能形成的煤體靜載;另一方面有利于減小由于頂板大面積斷裂或垮落導(dǎo)致的沖擊動載，從而起到減小甚至消除沖擊破壞的目的［10］。

龍家堡煤礦不適合采用頂板卸壓防治沖擊地壓的原因有:

(1)從頂板巖性來看，龍家堡煤礦主采煤層直接頂為泥巖，厚度為5～30m，性脆易冒落?；卷敒榛揖G色凝灰?guī)r及礫巖，平均厚度30m，平均單軸抗壓強(qiáng)度為36.3MPa，屬于中等堅(jiān)硬偏軟巖層，頂板不具備大面積懸頂?shù)臈l件。

(2)從掘進(jìn)巷道礦壓顯現(xiàn)來看，掘進(jìn)期間(包括實(shí)體煤掘進(jìn)期間)，巷道就出現(xiàn)頻繁的沖擊現(xiàn)象，因此，即使在沒有懸頂?shù)淖饔孟拢_采煤層也具有很高的沖擊危險(xiǎn)。

(3)從回采工作面礦壓顯現(xiàn)來看，409和410工作面的支架額定工作阻力為5400kN，正常回采期間，支架有效利用率僅為42.7%，來壓期間，支架平均工作阻力為4200kN，動載系數(shù)為1.13，頂板來壓對工作面礦壓顯現(xiàn)的影響較小。

(4)從施工難度來看，采用超深孔對距煤層上方5～30m的凝灰?guī)r基本頂進(jìn)行卸壓爆破，設(shè)計(jì)孔深需要達(dá)到42～65m，施工難度大，成本高。

可見，采用斷層爆破不僅難度大、費(fèi)用高，而且不能起到良好的防沖效果。

2.1.2 針對煤層采取卸壓措施的合理性分析

針對煤層采取卸壓措施包括煤層爆破、大直徑卸壓和煤層注水，其作用為:降低煤層的應(yīng)力集中程度;改變煤的物理力學(xué)性質(zhì)，降低其沖擊傾向性;通過局部卸壓，使高應(yīng)力區(qū)域向煤體深部轉(zhuǎn)移，提高巷道的抗沖擊能力;在特殊條件下，利用較多的炸藥，人為地誘發(fā)沖擊地壓，使沖擊地壓發(fā)生在一定的時(shí)間和地點(diǎn)，從而避免更大的損害［11］。

通過前面對龍家堡煤礦沖擊地壓影響因素分析發(fā)現(xiàn)，其煤層具有沖擊傾向性、開采深度大、水平構(gòu)造應(yīng)力高、斷層活化和區(qū)段煤柱是影響沖擊地壓的主要因素。采用煤層卸壓措施可以減小其沖擊傾向性，降低垂直和水平構(gòu)造應(yīng)力的集中程度，釋放斷層附近煤巖積聚的彈性能，因此可以較好地達(dá)到防治沖擊地壓發(fā)生的目的。

龍家堡煤礦斷層發(fā)育，煤層吸水性較差，且密集的大口徑卸壓對巷道支護(hù)將造成一定程度的破壞。因此，龍家堡煤礦沖擊地壓防治主要以煤層卸壓爆破為主。

2.2 爆破孔長度的確定

爆破孔深度是卸壓爆破措施的關(guān)鍵參數(shù)之一，該參數(shù)的合理設(shè)置對卸壓爆破后巷道圍巖應(yīng)力結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及圍巖穩(wěn)定性都有重要影響［12］。

采用波蘭進(jìn)口的PASAT－M便攜式彈性波CT探測系統(tǒng)對不同孔深的卸壓效果進(jìn)行了探測［13］。其基本原理是通過波速反演圖上的異常來推斷卸壓爆破區(qū) (爆破裂隙區(qū))在平面上的分布范圍及卸壓程度，并考察卸壓區(qū)圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)的影響規(guī)律。卸壓爆破前后，卸壓區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)和裂隙發(fā)育狀態(tài)將發(fā)生改變，具體來講，爆破區(qū)域附近裂隙發(fā)育，應(yīng)力降低，波速將不同程度地降低;應(yīng)力轉(zhuǎn)移后新形成的應(yīng)力集中區(qū)將會表現(xiàn)為波速增大。基于此規(guī)律，通過對比不同區(qū)域卸壓前后波速值大小即可間接分析卸壓效果。

探測方案如圖4所示，測試地點(diǎn)為410回風(fēng)巷，爆破孔分3組，孔長分別為24m，20m和16m，為保證每組爆破卸壓效果能被地震波充分感知，每組內(nèi)設(shè)計(jì)4個(gè)試驗(yàn)炮。探測工作分2輪進(jìn)行，第1輪在試驗(yàn)炮爆破前施工，第2輪在試驗(yàn)炮爆破后施工。

圖4 PASTA－M探測方案示意

卸壓爆破前后探測結(jié)果如圖5所示，爆破效果與卸壓孔深度有密切關(guān)系。卸壓爆破前，高應(yīng)力區(qū)(圖5(a)II)主要集中在距巷幫6～12m處，卸壓爆破后，24m組附近產(chǎn)生了一定范圍的卸壓區(qū)域，但是高應(yīng)力異常區(qū)(圖5(b)IV)依然存在，最大波速異常系數(shù)達(dá)0.4，這說明該組卸壓炮沒有完全調(diào)整圍巖近區(qū)的高應(yīng)力分布情況。20m組卸壓炮改變了該處的高應(yīng)力狀態(tài)，上覆巖層壓力轉(zhuǎn)移至周邊更大范圍的區(qū)域，圍巖近區(qū)波速異常系數(shù)為－0.3～－0.15，降低了沖擊危險(xiǎn)程度，說明該參數(shù)設(shè)置較為合理。16m組卸壓炮形成卸壓區(qū)，煤巖體應(yīng)力沿走向轉(zhuǎn)移至工作面端，卸壓區(qū)波速異常系數(shù)減小至－0.25～－0.15，低應(yīng)力區(qū)降低較明顯，甚至波及到巷道表面，可能對錨桿錨索支護(hù)造成破壞，不利于巷道支護(hù)。綜上分析，確定合理爆破孔長度為20m。

圖5 煤層卸壓爆破前后PASAT－M探測結(jié)果

3 沖擊地壓防治效果分析

3.1 鉆屑法評價(jià)卸壓效果

采用鉆屑法對409工作面回風(fēng)巷采用煤層卸壓爆破前后的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行了對比性分析，分析結(jié)果如圖6所示。1號和2號鉆孔為爆破前施工的2個(gè)鉆屑孔，1號孔在鉆進(jìn)至7.2m時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的卡鉆和吸鉆現(xiàn)象，2號孔在鉆進(jìn)至8.7m時(shí)出現(xiàn)與1號孔相似的動力現(xiàn)象。2個(gè)鉆孔均未能按設(shè)計(jì)要求的孔深進(jìn)行施工，表明煤體應(yīng)力較高，沖擊危險(xiǎn)性較大。3號和4號鉆孔為煤層卸壓爆破后施工的2個(gè)鉆屑孔，2個(gè)鉆孔探測的鉆屑量均未達(dá)到危險(xiǎn)值，且鉆孔過程中未出現(xiàn)明顯動力現(xiàn)象，沖擊危險(xiǎn)性降低。

圖6 煤層卸壓爆破前后鉆屑法檢測結(jié)果

3.2 煤體應(yīng)力法評價(jià)解危效果

圖7為409回風(fēng)巷采用煤層卸壓爆破前后的煤體應(yīng)力變化曲線，爆破時(shí)間為2013年11月5日11點(diǎn)30分，爆破位置距工作面煤幫58～67m。位于該區(qū)域的鉆孔應(yīng)力計(jì)捕捉到了爆破前后的應(yīng)力變化情況，煤體應(yīng)力值由煤層卸壓爆破前的20MPa瞬間降低至14MPa左右，爆破后顯著降低了煤體應(yīng)力集中程度，沖擊危險(xiǎn)性降低。

圖7 煤層卸壓爆破前后應(yīng)力分布情況

4 結(jié)論

頂板卸壓和煤層卸壓是目前沖擊地壓局部性防治與解危的主要方法，需要針對不同的礦井開采條件采取有針對性的防治措施。龍家堡煤礦沖擊地壓的發(fā)生主要是由于煤層具有沖擊傾向性、采深大、水平構(gòu)造應(yīng)力高、斷層活化和煤柱留設(shè)不合理造成的，這些因素導(dǎo)致煤層內(nèi)部容易積聚大量彈性能，在一定誘發(fā)因素下便發(fā)生沖擊地壓。為此，設(shè)計(jì)采用了以煤層卸壓爆破為主的卸壓措施，并采用PASAT－M彈性波CT探測系統(tǒng)對合理爆破孔長度進(jìn)行了確定。通過鉆屑法和應(yīng)力監(jiān)測法對卸壓前后應(yīng)力情況進(jìn)行了對比分析，表明卸壓措施顯著降低了煤體應(yīng)力集中程度，起到了良好效果。

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