深井冲击地压评价方法及解危技术研究

门会理，马学民，张勇，柳海滨

（1.山东能源临沂矿业集团 邱集煤矿，山东 德州 251105;2.山东东山军城能源开发有限公司，山东 济宁 272350）

1 开采技术条件概述

某煤矿含煤地层为石炭-二叠系太原组（C2P1t）和二叠系山西组（P1s），平均地层总厚213.69m。全区可采和局部可采煤层4层（3下、6、16上、17）。可采煤层平均纯煤总厚5.49m，可采含煤系数2.6%；其中以3下为主要可采煤层，均厚3.44m，占可采煤层总厚的63%。3下煤顶板冒裂范围内，以中、细砂岩岩组为主，局部为泥岩岩组。直接顶以中、细砂岩为主，厚2.60～12.39m；局部为砂质泥岩，厚2.85 m；仅在西翼中部为泥岩顶板，厚0.55～1.95 m。底板扰动范围内，基本为粉砂岩、泥岩岩组，抗压强度9.58～88.60MPa。直接底以粉砂岩为主，厚0.65～5.57m；次为泥岩和砂质泥岩，厚2.05～11.00m。

2 冲击地压发现地点和强度评价

2.1 采动应力场的分布规律

根据经验和矿山压力分布规律，在其西翼采区，采深约600 m，工作面移动支承压力应力集中系数按2.0，最大应力30 MPa，煤层单向抗压强度21.5～26.3 MPa，应力比达1.14～1.39，未超过发生冲击地压的基本应力水平（1.5倍应力比）。若工作面一侧临空，其应力水平较理论计算值高。

2.2 应力和冲击倾向性分别对“发生冲击地压”事件的

隶属度计算

1）应力对“发生冲击地压”的隶属度算式为：

应力隶属度

式中：I c=krH/[σc]。西翼工作面应力集中区域，k=2；I c=30/23.9MPa=1.25。即采动应力对“发生冲击地压”事件的隶属度为：UIc=0.75。

2）冲击倾向性对“发生冲击地压”的隶属度算式为：

倾向性隶属度

式中：WET为弹性能指数。西翼工作面WET为7.62（取实验结果的平均值）。相应UWET=1.0。

2.3 计算冲击地压发生的可能性指数

可能性指数U=（UIc+UWET）/2=0.875。根据表1，初步确定某一点冲击地压发生的可能性。西翼工作面U=0.875，接近发生冲击地压的应力条件，特别是在遇到断层、岩层强烈的断裂运动期间，若不提前采取防治措施，则有发生小范围冲击地压的危险。

表1 冲击地压发生可能性评价指标

3 西翼采区冲击地压危险区划分

西翼采区煤层赋存标高－450～－1 200 m，进入深部开采，此时决定工作面周围矿山压力显现程度的岩层运动范围，已超出了直接顶和老顶的范围；老顶上方岩层状况决定了关键岩层的运动，从而决定了矿山压力的显现程度；覆岩以空间结构的形式影响采场矿山压力的显现。

1）老顶初次来压危险区。根据经验，西翼工作面初次来压步距40～70m。直接顶垮落之后，工作面上方的老顶随着工作面的推进，悬露面积继续增大，老顶逐渐形成支点分别位于工作面前方和切眼煤体的支撑结构，见图1。本阶段划定影响区域为距开切眼40～120m；当工作面推进到40 m后，其前方100 m为冲击影响区，见图2。该危险区一般以“炸帮”、“煤炮”的形式出现，因此超前支护要加强。

图1 老顶初次来压的断裂分析

图2 西翼工作面老顶初次来压与冲击地压危险区关系图

2）单工作面“见方”危险区。随着工作面采入单工作面见方阶段，工作面推进过程中，覆岩破裂高度不断向上发展，该阶段岩层破裂高度达50～70 m，此高度范围位于第三组关键层，进入单工作面‘见方’导致该组岩梁发生断裂，坚硬岩层的破裂，容易诱发动力灾害。因此本阶段划定影响区域为当工作面推采距离切眼120～180 m左右，在工作面前方80～100 m范围内是危险区，见图3，属于冲击地压中度危险区。

图3 西翼工作面见方与冲击地压危险区关系

4 冲击地压解危措施

西翼采区主要采用煤层注水卸压，若其达不到卸压效果时，可用钻孔卸压或爆破卸压进行解危。首先对超前工作面80 m范围内的煤体注水，改变煤的物理力学性质，降低煤层冲击倾向和应力状态；其次在正常监测范围内，对电磁辐射法和钻屑法监测确定的一般冲击危险区域，采取钻孔卸压进行解危；对监测确定的特别危险区域或钻孔卸压达不到解危效果的区域，采取爆破卸压进行解危。

1）煤层预注水卸压。采掘工作前，对煤层进行长时压力注水；一般是在已掘好的回采巷道内或临近的巷道内进行。目的是通过压力水的物理化学作用，改变煤的物理力学性质，降低煤层冲击倾向和应力状态。煤层预注水是-种积极主动性防范措施，不仅能消除或减缓冲击地压威胁，而且起到消尘、降温、改善劳动条件的作用。①试验研究表明：煤块试样浸水随煤体含水率增加，孔隙率和泊松比增大，但其强度和弹性模量降低；并在一定时间内，随浸水时间的延长而加剧。对不同煤层煤样的抗压强度及冲击倾向性应进行实验室试验，以确定随含水率和浸水时间的增加而降低的效果，以便决定是否采用该项措施。②一般可在已掘好的回采巷道内或临近的巷道内进行。注水孔直径一般为45～90 mm，长度一般为20～100 m，一般按待注水煤体尺寸减15 m计算，或按待注水煤体尺寸的2/3确定。实行煤层卸压注水时，应保证保护带的宽度，对巷道两帮和采掘工作面大于3.5倍采高加预定推进度。

图4 某煤样注水前后的应力应变曲线

2）钻孔卸压。利用钻孔方法消除或减缓冲击地压危险。此法基于施工钻屑法钻孔时产生的钻孔冲击现象，钻进愈接近高应力带，由于煤体积聚能量愈多，钻孔冲击频度越高，强度也越大。尽管钻孔直径不大，但钻孔冲击时煤粉量显著增多，因此每一个钻孔周围形成一定的破碎区，当这些破碎区互相连通后，便能使煤层破裂卸压。煤层支撑压力峰值、钻孔的破裂、卸压作用，见图5。卸压钻孔孔深15 m，钻孔直径大于110 mm，对于所划定的危险区域，按照一般危险区内孔间距5 m，中度危险区内孔间距3m，单孔布置，超前钻设。对于监测出冲击地压危险区域，按照孔间距3 m布置卸压孔；监测出冲击地压危险时，应立即施工解危。

图5 钻孔的卸压作用

3）爆破卸压。对于西翼工作面，实施爆破卸压前须先进行钻屑法等检测，确认有严重冲击危险或用钻孔卸压达不到解危效果时进行爆破卸压；爆破后还要用钻屑法等检查卸压效果。若在实施范围内仍有高应力存在，则应进行第二次爆破，直到解除冲击危险为止。爆破孔布置应按具体条件确定。爆破孔的孔深取决于卸压深度，一般等于或大于整个应力集中区的宽度。卸压爆破示意图，见图6。①施工方法：炮眼采用FIV型气动手持式钻机或用ZQSJ-90/2.4A型气动手持式钻机、麻花钻杆配合φ42mm钻头施工，炮眼距底板1.5 m左右，炮眼角度平行于底板、垂直于煤帮。爆破采用MFB-200型发爆器起爆，打1孔、装1孔、放1孔。②爆破参数：爆破孔直径42mm；爆破孔深度15m；装药量及装药方式，每孔装药长度一般6～8 m；起爆方法，用MFB-200型发爆器起爆，每次爆破一个孔；装药、放炮、警戒等，严格执行作业规程有关规定。

图6 卸压爆破示意图

5 结束语

西翼采区采动应力对“发生冲击地压”事件的隶属度0.75，冲击地压发生的可能性指数0.875。解危措施：首先对超前工作面80 m范围内的煤体进行注水，改变煤的物理力学性质，降低煤层冲击倾向和应力状态；其次在正常监测范围内，对电磁辐射法和钻屑法监测确定的一般冲击危险区域，采取钻孔卸压进行解危；对监测确定的特别危险区域或钻孔卸压达不到解危效果的区域，采取爆破卸压进行解危，以防止冲击地压发生的可能性。

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