張書敬

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

淺埋沖擊危險性加長工作面堅硬頂板控制研究

張書敬

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]為實(shí)現(xiàn)沖擊危險性加長工作面堅硬頂板的有效控制，采用支架壓力監(jiān)測、微震監(jiān)測、數(shù)值模擬和綜合指數(shù)評價的方法，開展加長工作面堅硬頂板條件礦壓顯現(xiàn)規(guī)律現(xiàn)場實(shí)測、煤柱上方頂板處理范圍的數(shù)值計算以及工作面沖擊地壓危險評價，并進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)踐。研究表明，加長工作面具有中等沖擊危險，堅硬頂板活動劇烈程度、應(yīng)力變化、巷道變形具有區(qū)域性，在“單面見方”等區(qū)域，堅硬頂板巖層能量集中釋放，巷道變形量大，煤柱應(yīng)力集中程度高，確定了不同區(qū)域堅硬頂板處理范圍，開展了超前深孔預(yù)裂爆破的現(xiàn)場實(shí)踐，使堅硬頂板問題與沖擊地壓危險得到有效地控制。

[關(guān)鍵詞]加長工作面；堅硬頂板；沖擊地壓；深孔預(yù)裂爆破；大煤柱

1概 述

加長工作面是在煤層開采過程中由于受地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件的影響，工作面長度由短變長，成為加長工作面。同一煤層開采加長工作面的覆巖運(yùn)移規(guī)律與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律不同于短工作面。堅硬頂板條件下加長工作面尤其需要重視，研究[1-4]發(fā)現(xiàn)，堅硬頂板是沖擊地壓發(fā)生的主要影響因素，堅硬頂板條件下發(fā)生沖擊地壓極易造成人員傷亡和設(shè)備損壞。

煤礦開采留設(shè)的區(qū)段大煤柱，不僅容易誘發(fā)本煤層工作面的沖擊地壓，而且對下伏煤層開采產(chǎn)生不利影響。實(shí)踐表明，多個礦區(qū)上覆煤層的煤柱引起下伏煤層發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)。

以往的研究表明：巖層活動與采礦活動密切相關(guān)[5]，微震事件分布規(guī)律的研究對于探索巖層破斷與發(fā)展，微震事件能量集中、釋放活動與巖層活動和沖擊地壓危險等具有重要的意義，微震監(jiān)測[6-8]已成為目前研究堅硬頂板條件破斷和沖擊地壓區(qū)域危險監(jiān)測與驗證的重要手段。

具有堅硬頂板的礦區(qū)多采用超前深孔預(yù)裂爆破[9-15]，采用頂板深孔預(yù)裂爆破，破壞工作面上方堅硬厚層砂巖頂板的完整性，減弱沖擊地壓危險程度，改變了煤體應(yīng)力峰值的大小和位置，對堅硬頂板條件下沖擊危險區(qū)域起到較好的卸壓作用。

加長工作面堅硬頂板與大煤柱并存條件下的沖擊地壓研究偏少，現(xiàn)場實(shí)測也較少，因此有必要開展加長工作面與大煤柱并存條件的堅硬頂板處理相關(guān)研究。

2工程背景

本文研究的工程背景為新疆某礦E1148綜采工作面，該工作面開采B4-1煤層，位于一采區(qū)東翼第三區(qū)段，水平標(biāo)高+1346～+1390m，工作面對應(yīng)地面標(biāo)高+1743～+1767m。工作面傾角10～16°，煤厚平均3m，采高3m。直接底為層狀中砂巖，厚度5.2m；直接頂為平均厚度為9m的粉砂巖，堅硬致密。工作面走向長壁布置，走向長度1703m，原工作面長度為135m，后E1148工作面由E1148(1)工作面和E1148(2)工作面合并而成，工作面加長后長度為244m。

E1148工作面回采空間的增大使巖層破斷的空間高度和范圍增大，同時加劇了巖層來壓強(qiáng)度，加大了工作面來壓期間的沖擊危險，增大了E1148工作面頂板處理與沖擊地壓防治難度。

2013年1月16日凌晨6點(diǎn)，在E1148工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)至930m處發(fā)生沖擊地壓事故。迎頭向外綜掘機(jī)段發(fā)生了沖擊地壓顯現(xiàn)，顯現(xiàn)范圍約30m，掘進(jìn)機(jī)由下幫被推移到上幫；兩幫懸掛的風(fēng)筒、管路被震落；上、下幫自迎頭向外3.5～36m段出現(xiàn)幫鼓，兩幫錨網(wǎng)出現(xiàn)撕裂，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，兩幫移近量為0.6～1m，底板底鼓量為0.4m。

3堅硬頂板加長工作面礦壓規(guī)律分析

3.1覆巖活動區(qū)域演化規(guī)律

通過微震監(jiān)測堅硬頂板的活動發(fā)現(xiàn)，E1148工作面回采過程具有明顯的區(qū)域特征。圖1為覆巖活動變化曲線。圖1所示，在工作面初采、“單面見方”時期、上覆停采區(qū)域以及末采區(qū)域，堅硬頂板活動比較強(qiáng)烈，巖層活動日釋放能量和日釋放頻次明顯升高。

圖1　覆巖活動變化曲線

初采期間，經(jīng)歷工作面的初次來壓，在此期間頂板破斷步距大，支架壓力監(jiān)測分析結(jié)果顯示初次來壓步距為39～41m，堅硬頂板初次破斷產(chǎn)生高能量微震事件；“單面見方”期間和上覆停采區(qū)域內(nèi)微震能量和頻次明顯上升，表明巖層破斷得到比較充分發(fā)展；工作面末采階段，巖層活動基本比較平穩(wěn)，未發(fā)生劇烈的活動。

3.2大煤柱采動應(yīng)力分布規(guī)律

E1148膠運(yùn)巷掘進(jìn)期間發(fā)生了沖擊地壓顯現(xiàn)，造成沖擊地壓顯現(xiàn)主要原因是50m的大煤柱應(yīng)力集中。為了進(jìn)一步分析回采過程大煤柱的應(yīng)力與沖擊地壓危險的關(guān)系，在煤柱中安設(shè)了煤體應(yīng)力計，對回采過程中煤體應(yīng)力的變化進(jìn)行監(jiān)測。圖2為煤體應(yīng)力計監(jiān)測結(jié)果。工作面回采過程，采動影響大煤柱應(yīng)力影響范圍為140m，應(yīng)力集中系數(shù)為1.5。

圖2　大煤柱應(yīng)力分布曲線

3.3巷道位移變化特征

E1148(1)工作面并架前，巷道圍巖位移量較??；E1148(1)和E1148(2)工作面并架后，由于工作面長度增加，巷道變形量較并架前增加。

2013年9月27日，進(jìn)入E1148(2)工作面“單面見方”區(qū)域，在此期間回風(fēng)巷、工藝巷出現(xiàn)較為嚴(yán)重底鼓現(xiàn)象，根據(jù)圖3所示的巷道位移監(jiān)測曲線可知，工藝巷巷道頂?shù)装逡平看?，達(dá)到60～250mm，回風(fēng)巷兩幫移近量大，達(dá)到100m。

圖3　巷道位移變化曲線

通過分析，確定E1148回風(fēng)巷底鼓范圍為超前工作面40m，E1148工作面工藝巷底鼓范圍為超前工作面70m。

3.4沖擊地壓危險區(qū)域

采用綜合指數(shù)法對E1148工作面進(jìn)行沖擊地壓危險評價，地質(zhì)因素影響下沖擊地壓危險指數(shù)為0.74，開采技術(shù)條件因素影響下的沖擊地壓危險指數(shù)為0.55。綜合地質(zhì)及開采技術(shù)條件，工作面沖擊危險綜合指數(shù)為0.74，屬于中等沖擊危險。

沖擊地壓危險主要影響因素為堅硬頂板巖層活動和開采布局引起的煤體高應(yīng)力集中。工作面堅硬頂板周期來壓時期、工作面“見方”區(qū)域，堅硬頂板巖層活動劇烈，能量集中釋放，剩余能量多，工作面沖擊危險性高；開采布局使工作面煤體受特殊的空間結(jié)構(gòu)影響，本煤層多個工作面在沖擊地壓防治過程中，經(jīng)常遇到上覆煤層的殘采區(qū)，殘采區(qū)形成的特殊巖層空間結(jié)構(gòu)條件容易造成局部區(qū)域煤體高應(yīng)力集中。

4加長工作面堅硬頂板控制技術(shù)

4.1大煤柱頂板控制

為解決50m區(qū)段煤柱對E1148工作面及對B2煤層開采影響的問題，提前對煤柱上方的頂板進(jìn)行處理，采用數(shù)值模擬的方法分析不同區(qū)域的大煤柱頂板處理范圍。圖4為煤柱應(yīng)力分布圖。受E114(2)2，E1146采空區(qū)的影響時，區(qū)段大煤柱應(yīng)力集中的影響范圍為E1148膠運(yùn)巷下幫20m深度；受E1146采空區(qū)的影響時，區(qū)段大煤柱應(yīng)力集中的峰值位置往深部轉(zhuǎn)移，距離E1148膠運(yùn)巷34m，為了降低煤柱的應(yīng)力峰值，以及減輕對下覆煤層的影響，確定頂板預(yù)裂的水平范圍為40m。

圖4　大煤柱應(yīng)力分布

如圖5所示，超前工作面70m膠運(yùn)巷布置煤柱側(cè)頂板超前預(yù)裂孔，循環(huán)步距10m，每循環(huán)共布置1個炮孔，鉆孔長度22m，垂直巷道走向中心線布置，鉆孔和水平面的夾角29°，炮眼采用ZDY1000型鉆機(jī)及配套鉆桿施工，炮眼直徑75mm。裝藥長度16m，封孔長度6m，裝藥密度2.5kg/m，采用黃泥封孔，連線方式采用串聯(lián)，正向一次起爆，一次起爆一孔。

圖5　E114(2)2停采線前煤柱超前預(yù)裂孔布置

當(dāng)過E114(2)2停采線后，如圖6所示，循環(huán)步距10m，每循環(huán)共布置2個炮孔，1號鉆孔長度22m，垂直巷道走向中心線布置，鉆孔和水平面的夾角29°；2號鉆孔長度40m，垂直巷道走向中心線布置，鉆孔和水平面的夾角8°。裝藥密度2.5kg/m，采用黃泥封孔，連線方式采用串聯(lián)，正向一次起爆，一次起爆兩孔。

圖6　E114(2)2停采線后煤柱超前預(yù)裂孔布置

4.2堅硬頂板超前深孔預(yù)裂

E1148膠運(yùn)巷布置3個超前預(yù)裂孔，并架前工藝巷布置2個超前預(yù)裂孔，并架后布置5個超前預(yù)裂孔，循環(huán)步距20m，炮眼直徑75mm，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，循環(huán)步距逐步調(diào)整。如圖7所示。圖中，X為膠運(yùn)卷孔，Z表示工藝巷孔，S表示回風(fēng)巷孔。

圖7　超前深孔預(yù)裂爆破孔布置

兩巷2孔為1組，工藝巷每側(cè)2孔1組，Z3號爆破孔單獨(dú)起爆，連線方式采用串聯(lián)，采用黃泥封孔，正向一次起爆。

4.3堅硬頂板控制效果檢驗

4.3.1煤柱側(cè)頂板控制效果

大煤柱側(cè)堅硬頂板經(jīng)歷了掘進(jìn)期間和回采期間的深孔預(yù)裂爆破，通過煤體應(yīng)力監(jiān)測得到采掘期間的煤柱中應(yīng)力變化曲線，如圖8所示。由圖8可知，爆破后煤柱應(yīng)力未出現(xiàn)應(yīng)力集中，通過煤柱側(cè)堅硬頂板深孔預(yù)裂爆破降低了煤柱的應(yīng)力集中。

圖8　爆破后煤柱應(yīng)力曲線

4.3.2危險區(qū)域頂板控制效果

2013年10月17日，E1148工作面推進(jìn)至距離加長工作面“單面見方”50m位置，2013年10月26日，E1148工作面推進(jìn)至加長工作面“單面見方”位置。如圖9所示，通過微震事件能量頻次變化曲線可知，E1148工作面回采至該區(qū)域前，微震事件能量與頻次處于較低的水平，表明覆巖活動強(qiáng)度比較低；當(dāng)E1148工作面推進(jìn)至距離“單面見方”位置50m，微震事件能量與頻次開始明顯增加，表明覆巖開始劇烈活動，巖層活動強(qiáng)度明顯增大；當(dāng)工作面越接近“單面見方”位置，覆巖活動越劇烈，當(dāng)工作面推進(jìn)距離“單面見方”位置15m時，覆巖活動最劇烈。

在過“單面見方”期間，采取了2次深孔預(yù)裂處理頂板，第1次爆破后，微震事件能量和頻次明顯降低，有效地控制了工作面向“見方”位置推進(jìn)過程中巖層活動強(qiáng)度；第2次爆破后，巖層活動同樣大幅降低，有效地控制了該危險區(qū)域的沖擊地壓，順利推過該區(qū)域。

4.3.3巖層活動控制效果

通過對堅硬頂板的處理，“單面見方”期間，共監(jiān)測微震事件885次，按能級進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖10(a)所示，低能量事件占52%，高能量事件占29%，工作面周圍的圍巖得到充分地發(fā)展及運(yùn)動，能量集中釋放，高能事件比重大，表明巖層活動劇烈，需加強(qiáng)頂板巖層的控制；工作面推過“單面見方”區(qū)域，為有效地分析工作面過“單面見方”后覆巖活動，共監(jiān)測微震事件511次，圖10(b)所示為不同能級分布，由圖可知以低能事件為主。

等級Ⅰ：能量103J以下；等級Ⅱ：能量103J；等級Ⅲ：能量104J；等級Ⅳ：能量105J；等級Ⅴ：能量106J圖10　能量級別分布

“單面見方”區(qū)域低能量事件和高能量事件比例比較均衡，表明圍巖經(jīng)歷了裂隙的產(chǎn)生，發(fā)展至破斷過程，堅硬巖層得到充分活動；“單面見方”后，低能量事件占主導(dǎo)，高能事件較少，表明圍巖活動劇烈程度降低，圍巖活動進(jìn)入新一輪的平靜期，工作面的沖擊危險性隨著圍巖活動劇烈程度的降低而弱化。

5結(jié)論

(1)加長工作面上覆堅硬頂板活動具有明顯的區(qū)域特征，周期來壓時期、“單面見方”區(qū)域、上覆殘采煤柱下區(qū)域的巖層活動強(qiáng)烈，煤體應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中，巷道變形嚴(yán)重，沖擊地壓危險性高。

(2)通過數(shù)值模擬分析，確定了大煤柱堅硬頂板的處理范圍，給出了煤柱側(cè)堅硬頂板處理的主要參數(shù)；通過工藝巷及上下兩巷布置超前深孔預(yù)裂爆破孔處理工作面頂板。

(3)通過煤體應(yīng)力和微震監(jiān)測對堅硬頂板控制效果進(jìn)行檢驗，大煤柱側(cè)頂板充分處理后，大煤柱未出現(xiàn)應(yīng)力集中，且有效降低了煤柱側(cè)巷道沖擊地壓危險；同時，預(yù)裂爆破有效降低了堅硬頂板巖層能量釋放，改善了特殊時期與區(qū)域的巖層活動強(qiáng)度。

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

Hard Roof Control of Extended Working Face with Shallow Depth and Rock Burst Hazard

ZHANG Shu-jing

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：In order to control the hard roof of extend working face with rock burst hazard effectively，based on support pressure monitoring，microseism monitoring，numerical simulation and composite index evaluation，filed test of rock pressure of extend working face with hard roof，numerical calculation of treatment scope in roof that overhead the pillar and evaluation of working face rock burst hazard were carried out，then practiced in filed.The research results showed that extend working face experienced the following characters，which included the middle rock burst hazard，hard roof moved violently，stress change and regional deformation of roadway and so on.In ’ single face square’ zone，strata energy of hard roof released concentration，roadway deformation largely，high stress concentration appeared in coal pillar，then the treatment scope of hard roof in different zone was confirmed，advanced presplit blasting in deep was practiced in filed，the problem of hard roof and rock burst hazard were controlled effectively.

Keywords：extended working face；harden roof；rock burst；presplit blasting in deep；large pillar

[收稿日期]2015-10-14[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.027

[基金項目]國家自然科學(xué)基金資助項目(51574149)

[作者簡介]張書敬(1973-)，男，山東魚臺人，副研究員，博士，主要從事煤礦開采和礦山壓力研究工作。

[中圖分類號]TD327.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)03-0101-05

[引用格式]張書敬.淺埋沖擊危險性加長工作面堅硬頂板控制研究[J].煤礦開采，2016，21(3)：101-105.