李躍文，溫穎遠，曹安業(yè)，薛成春，谷 雨，呂國偉

（1.上海大屯能源股份有限公司 徐莊煤礦，江蘇 徐州221600；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；3.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116）

近年來，隨著礦井開采深度逐漸加大和地質(zhì)條件復(fù)雜性的提升，越來越多的生產(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的堅硬頂板容易造成頂板大面積來壓、沖擊地壓等動力災(zāi)害，針對該問題，諸多專家學者從發(fā)生機理、監(jiān)測及防治解危等方面進行了深入的研究。竇林名等[1]建立了圍巖力學模型分析了圍巖應(yīng)力分布及演變規(guī)律，基于此分析了頂板型沖擊礦壓機理和類型。呂進國等[2]研究了巨厚堅硬頂板條件下斷層誘發(fā)沖擊礦壓的機制，認為被斷層切割的堅硬頂板的大面積活動為沖擊地壓的發(fā)生提供了動載條件。劉剛等[3]采用RFPA2D對堅硬頂板、堅硬煤層、堅硬底板三體模型進行沖擊傾向性數(shù)值試驗研究。李新華等[4]采用微震及礦壓監(jiān)測方法確定了堅硬直接頂超前工作面破斷的位置及頂板周期來壓步距，分析了回采工作面沖擊地壓的能量來源和致災(zāi)機理。曹安業(yè)等[5]研究了鄰近斷層處孤島工作面開采時斷層煤柱的受力狀態(tài)與動力顯現(xiàn)的發(fā)生機理，利用震動波CT技術(shù)對工作面沖擊危險性進行動態(tài)預(yù)警。楊敬軒等[6]采用理論分析、物理相似模擬及現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，對堅硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)的破斷沖擊效應(yīng)進行了分析。姚麗芳[7]針對堅硬頂板和高應(yīng)力的開采條件，對工作面開采過程中微震事件的時空演化規(guī)律進行了分析，確定沖擊地壓預(yù)警指標值，建立聯(lián)合指標對沖擊地壓進行預(yù)報。黃炳香等[8]針對煤礦堅硬頂板硬度大、整體性強、分層厚度大等特點，提出堅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]針對某礦堅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]針對堅硬難垮落頂板控制問題，采用聚能爆破方法弱化堅硬頂板。王濤等[11]針對忻州窯煤礦11#煤層回采時鄰空煤柱側(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)過程，制定了利用瓦斯巷開展斷頂卸壓爆破的解危方案。

上述研究結(jié)果對礦井由堅硬頂板引發(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，而對于巷道掘進期間由堅硬頂板引發(fā)的強礦震和沖擊地壓問題缺少深入的分析和有效的防治手段。針對徐莊煤礦7335工作面材料道掘進期間沖擊顯現(xiàn)問題，采用理論分析和微震監(jiān)測確定大能量震動發(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，并進行微震監(jiān)測效果檢驗。

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，煤層具有強沖擊傾向性。工作面為Ⅱ（3）采區(qū)7煤層第2個區(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)，北部為實體煤，東部為井田邊界，西部為Ⅱ（3）采區(qū)上山。

工作面開采深度為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材料道掘進期間共揭露8條斷層，其中斷層對巷道掘進影響較大，落差4.6 m。

1.2 礦壓顯現(xiàn)異常情況

7335工作面材料道掘進期間應(yīng)力集中程度較高，經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、吸鉆等動力現(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，造成掘進面劇烈振動，顯現(xiàn)最劇烈的位置為綜掘機位置，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日掘進期間，有詳細報告記錄的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)測系統(tǒng)對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)場顯現(xiàn)情況，經(jīng)分析認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材料道掘進期間受掘進擾動影響，靠近材料道未充分跨落巖層容易發(fā)生二次運動和失穩(wěn)，從而引起大能量礦震的發(fā)生。因此，7335工作面掘進活動擾動和巷道上方鄰空側(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)計分析表明，煤層厚度的變化對沖擊地壓的發(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)實測地質(zhì)資料顯示，材料道掘進期間存在約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)域掘進期間，礦震頻發(fā)，并且能量較大。

3.4 掘進速度變化影響

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個階段的礦震數(shù)據(jù)進行分析，掘進速度變化影響礦震能量及頻次對比圖如圖1。

圖1 掘進速度變化影響礦震能量及頻次對比圖

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

4 掘進期間沖擊地壓防治措施及效果

根據(jù)以上微震實測及理論分析，大能量礦震事件的發(fā)生是受鄰空側(cè)巷道掘進期間擾動影響，導(dǎo)致相鄰采空區(qū)堅硬頂板的破斷垮落，從而釋放出較大的能量事件，同時動載應(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，針對堅硬頂板條件下鄰空側(cè)巷道掘進期間的沖擊危險性，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，同時降低掘進速度。

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。保證掘進施工過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，若驗證孔煤粉量≥臨界值，則縮小鉆孔間距，在原2個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)場實際情況，對7335材料道上方頂板40 m范圍內(nèi)厚硬巖層實施頂板爆破，從而釋放頂板中的部分能量，同時切斷頂板的能量傳遞通道，使巷道處于周圍形成破碎區(qū)保護圈內(nèi)。

巷道兩幫各布置1個炮孔，炮孔直徑75 mm，孔深50 m，實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

每孔裝藥長度20 m，裝藥量60 kg，封孔長度為15 m，采用導(dǎo)爆索一次性起爆，并且2個炮孔同時起爆，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 降低掘進速度

嚴格控制巷道掘進速度，不超過4 m/d，降低掘進活動對頂板的擾動影響，加強礦壓監(jiān)測和頂板支護強度。

4.4 效果檢驗

對實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（采取降低掘進速度、頂板爆破卸壓及鉆孔卸壓等措施）2個時間段的礦震數(shù)據(jù)進行分析。2個時間段礦震能量及頻次時間序列圖如圖4。在11月1日—11月30日期間（無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，加強防沖措施后礦震釋放總能量約為加強前礦震釋放總能量的72.4%。

圖4 能量與頻次時間序列圖

圖4 表明當進行巷道頂板超前預(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，其能量級均由106J降到了105J，由此說明頂板預(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期間沖擊地壓危險。

5 結(jié)論

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

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

3）針對7335工作面材料道堅硬頂板賦存條件和掘進期間沖擊顯現(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速度等措施，微震監(jiān)測結(jié)果顯示降低了工作面掘進期間的沖擊危險性。