深部高应力冲击危险性厚煤层冲击地压防治技术

朱春华，夏永学，冯美华

(1.吉林省煤业集团，吉林长春130000;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013; 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京100013)

深部煤炭资源是我国21世纪主体能源的战略保障，我国已经探明的深度在1000m以下的煤炭储量达到2500Gt。

随着开采深度的不断增加，华东、华北、东北主要产煤地区数十个大型矿井深度接近或超过千米。在深部开采条件下，围岩应力高，开采条件更加复杂，导致冲击地压矿井的数量和发生的强度都大大增加，深部煤矿冲击地压灾害已经成为安全高效开采面临的重大难题［1］。

龙家堡煤矿位于吉林省九台市，为吉林省第一座现代化矿井，产量为3Mt/a。目前开采区域采深大都超过1000m，最大控制采深1450m。开采地质条件较为复杂，属于典型水平构造应力场。直接顶为泥岩，厚度为5～30m，性脆易冒落。基本顶为灰绿色凝灰岩及砾岩，平均厚度30m，平均单轴抗压强度为36.3MPa，属于中等坚硬偏软岩层。底板由相对较软的粉砂和泥岩组成。煤层结构复杂，为含夹矸较多的复合厚煤层，设计采用综合机械化放顶煤开采。近年来，矿井冲击地压频发，由此带来的安全威胁也日趋严重，迫切需要开展冲击地压防治技术研究。

1 龙家堡煤矿冲击地压显现特点及主要影响因素

1.1 冲击地压显现的主要特点

龙家堡煤矿冲击地压的发生主要有以下特点:

(1)冲击地压发生点多面广，不仅回采巷道具有强烈的冲击显现，掘进巷道 (包括原岩掘进巷道)和采区上、下山巷道也具有明显的冲击现象。

(2)冲击显现表现为煤层冲击，常伴有巨大声响，震感强烈，甚至波及到地表，巷道变形严重(主要为底鼓)，巷道支护体受到严重损坏，工作面也伴随片帮冒顶现象，对生产影响很大。

(3)随着开采深度的不断增加和采空区范围的不断加大，冲击地压发生的频次和强度也呈现快速增加的趋势。

1.2 冲击地压的主要影响因素分析

(1)煤层具有冲击倾向性 煤岩层冲击倾向性揭示了煤岩层是否具有积聚大量能量并在破坏时瞬间释放的基本属性，煤岩层的冲击倾向是其产生冲击地压的必要条件［2］。对－770m水平煤岩冲击倾向性测定结果表明，所采的Ⅱ+Ⅲ复合煤层具有弱冲击倾向，为冲击地压形成提供必要条件。

(2)开采深度远超冲击地压发生的临界采深冲击地压的发生和煤层埋深有较大关系，统计分析表明开采深度越大，冲击地压发生的可能性也越大。随着开采深度的不断增加，冲击地压事故数量和一次死亡人数成逐年上升趋势［3］。龙家堡煤矿目前开采的－880m水平，对应地面标高为200～205m，其开采垂直深度均在1000m以下，就开采深度而言，开采煤层已完全具备冲击地压发生的埋深条件。

(3)矿井水平构造应力大 在较高的应力场下巷道轴线方向与最大水平主应力方向夹角不同时，对围岩的破坏影响程度不同，不同应力场状态引起的巷道围岩破坏特征也不同［4－5］。原始地球板块运动造成的水平构造应力的集聚是造成高应力巷道顶、底板破坏的主要力源。－880m水平地应力测试表明，龙家堡矿区地应力场以水平构造应力为主，最大水平应力为垂直主应力的1.39～1.42倍，说明区域构造应力较高。

(4)断层活化 龙家堡煤矿地质构造以断层为主，断层分布极为复杂。在采掘工作面推进至断层附近时，引起断层本身的突然错动，容易诱发矿压显现［6］。307和410工作面微震定位结果见图1。307工作面接近F13断层时，冲击事件主要沿断层走向分布;410工作面初采期间，冲击事件主要位于切眼后方DF98断层附近，由图1可知，高能量微震事件大都集中在断层附近，断层活化是造成采掘巷道冲击地压发生的主要原因之一。

(5)区段煤柱 合理的煤柱尺寸能最大限度地限制在采场和巷道附近形成危险的应力集中带，从而有效减轻开采过程中的冲击危险性［7］。龙家堡煤矿目前区段煤柱留设宽度为20m，根据数值模拟结果表明 (见图2)，当煤柱宽度为18～30m时，煤柱应力集中程度最高，冲击危险性最大。现场微震监测结果表明 (见图3)，高能冲击事件大都分布在409工作面和307采空区之间的20m煤柱附近，冲击破坏也主要以煤柱侧煤体冲出和巷道底鼓为主。因此，不合理的区段煤柱宽度是诱发巷道冲击地压的重要原因。

图1 断层附近高能冲击事件分布

图2 不同区段煤柱宽度巷道周边应力分布情况

图3 409开采时煤柱影响区冲击事件分布

2 冲击地压防治与解危措施

2.1 防治与解危手段的选择

冲击地压的防治主要有区域性防治和局部性防治技术，区域性防治主要涉及采区 (工作面)布置、开采方法等，区域性防治技术是改善冲击地压威胁的根本性措施［8］。但是由于种种原因，矿井在开采设计时并未充分考虑冲击地压的影响，当开采格局已经形成后，只能采取局部性的卸压措施。卸压措施主要包括:煤层卸压爆破、煤层注水、煤层大直径卸压孔、顶板超前预裂、面后切顶爆破等，这些措施实施的对象一般为煤层或顶板［9］。合理防治方法的选择应根据导致冲击地压发生的力源因素、施工难易程度和施工成本综合确定。

2.1.1 针对顶板采取卸压措施的合理性分析

针对顶板采取卸压措施 (如顶板爆破)，一方面可以减小顶板悬露面积，从而降低顶板弯曲弹性能形成的煤体静载;另一方面有利于减小由于顶板大面积断裂或垮落导致的冲击动载，从而起到减小甚至消除冲击破坏的目的［10］。

龙家堡煤矿不适合采用顶板卸压防治冲击地压的原因有:

(1)从顶板岩性来看，龙家堡煤矿主采煤层直接顶为泥岩，厚度为5～30m，性脆易冒落。基本顶为灰绿色凝灰岩及砾岩，平均厚度30m，平均单轴抗压强度为36.3MPa，属于中等坚硬偏软岩层，顶板不具备大面积悬顶的条件。

(2)从掘进巷道矿压显现来看，掘进期间(包括实体煤掘进期间)，巷道就出现频繁的冲击现象，因此，即使在没有悬顶的作用下，开采煤层也具有很高的冲击危险。

(3)从回采工作面矿压显现来看，409和410工作面的支架额定工作阻力为5400kN，正常回采期间，支架有效利用率仅为42.7%，来压期间，支架平均工作阻力为4200kN，动载系数为1.13，顶板来压对工作面矿压显现的影响较小。

(4)从施工难度来看，采用超深孔对距煤层上方5～30m的凝灰岩基本顶进行卸压爆破，设计孔深需要达到42～65m，施工难度大，成本高。

可见，采用断层爆破不仅难度大、费用高，而且不能起到良好的防冲效果。

2.1.2 针对煤层采取卸压措施的合理性分析

针对煤层采取卸压措施包括煤层爆破、大直径卸压和煤层注水，其作用为:降低煤层的应力集中程度;改变煤的物理力学性质，降低其冲击倾向性;通过局部卸压，使高应力区域向煤体深部转移，提高巷道的抗冲击能力;在特殊条件下，利用较多的炸药，人为地诱发冲击地压，使冲击地压发生在一定的时间和地点，从而避免更大的损害［11］。

通过前面对龙家堡煤矿冲击地压影响因素分析发现，其煤层具有冲击倾向性、开采深度大、水平构造应力高、断层活化和区段煤柱是影响冲击地压的主要因素。采用煤层卸压措施可以减小其冲击倾向性，降低垂直和水平构造应力的集中程度，释放断层附近煤岩积聚的弹性能，因此可以较好地达到防治冲击地压发生的目的。

龙家堡煤矿断层发育，煤层吸水性较差，且密集的大口径卸压对巷道支护将造成一定程度的破坏。因此，龙家堡煤矿冲击地压防治主要以煤层卸压爆破为主。

2.2 爆破孔长度的确定

爆破孔深度是卸压爆破措施的关键参数之一，该参数的合理设置对卸压爆破后巷道围岩应力结构的调整以及围岩稳定性都有重要影响［12］。

采用波兰进口的PASAT－M便携式弹性波CT探测系统对不同孔深的卸压效果进行了探测［13］。其基本原理是通过波速反演图上的异常来推断卸压爆破区 (爆破裂隙区)在平面上的分布范围及卸压程度，并考察卸压区围岩应力分布状态的影响规律。卸压爆破前后，卸压区域内的应力状态和裂隙发育状态将发生改变，具体来讲，爆破区域附近裂隙发育，应力降低，波速将不同程度地降低;应力转移后新形成的应力集中区将会表现为波速增大。基于此规律，通过对比不同区域卸压前后波速值大小即可间接分析卸压效果。

探测方案如图4所示，测试地点为410回风巷，爆破孔分3组，孔长分别为24m，20m和16m，为保证每组爆破卸压效果能被地震波充分感知，每组内设计4个试验炮。探测工作分2轮进行，第1轮在试验炮爆破前施工，第2轮在试验炮爆破后施工。

图4 PASTA－M探测方案示意

卸压爆破前后探测结果如图5所示，爆破效果与卸压孔深度有密切关系。卸压爆破前，高应力区(图5(a)II)主要集中在距巷帮6～12m处，卸压爆破后，24m组附近产生了一定范围的卸压区域，但是高应力异常区(图5(b)IV)依然存在，最大波速异常系数达0.4，这说明该组卸压炮没有完全调整围岩近区的高应力分布情况。20m组卸压炮改变了该处的高应力状态，上覆岩层压力转移至周边更大范围的区域，围岩近区波速异常系数为－0.3～－0.15，降低了冲击危险程度，说明该参数设置较为合理。16m组卸压炮形成卸压区，煤岩体应力沿走向转移至工作面端，卸压区波速异常系数减小至－0.25～－0.15，低应力区降低较明显，甚至波及到巷道表面，可能对锚杆锚索支护造成破坏，不利于巷道支护。综上分析，确定合理爆破孔长度为20m。

图5 煤层卸压爆破前后PASAT－M探测结果

3 冲击地压防治效果分析

3.1 钻屑法评价卸压效果

采用钻屑法对409工作面回风巷采用煤层卸压爆破前后的冲击危险性进行了对比性分析，分析结果如图6所示。1号和2号钻孔为爆破前施工的2个钻屑孔，1号孔在钻进至7.2m时出现严重的卡钻和吸钻现象，2号孔在钻进至8.7m时出现与1号孔相似的动力现象。2个钻孔均未能按设计要求的孔深进行施工，表明煤体应力较高，冲击危险性较大。3号和4号钻孔为煤层卸压爆破后施工的2个钻屑孔，2个钻孔探测的钻屑量均未达到危险值，且钻孔过程中未出现明显动力现象，冲击危险性降低。

图6 煤层卸压爆破前后钻屑法检测结果

3.2 煤体应力法评价解危效果

图7为409回风巷采用煤层卸压爆破前后的煤体应力变化曲线，爆破时间为2013年11月5日11点30分，爆破位置距工作面煤帮58～67m。位于该区域的钻孔应力计捕捉到了爆破前后的应力变化情况，煤体应力值由煤层卸压爆破前的20MPa瞬间降低至14MPa左右，爆破后显著降低了煤体应力集中程度，冲击危险性降低。

图7 煤层卸压爆破前后应力分布情况

4 结论

顶板卸压和煤层卸压是目前冲击地压局部性防治与解危的主要方法，需要针对不同的矿井开采条件采取有针对性的防治措施。龙家堡煤矿冲击地压的发生主要是由于煤层具有冲击倾向性、采深大、水平构造应力高、断层活化和煤柱留设不合理造成的，这些因素导致煤层内部容易积聚大量弹性能，在一定诱发因素下便发生冲击地压。为此，设计采用了以煤层卸压爆破为主的卸压措施，并采用PASAT－M弹性波CT探测系统对合理爆破孔长度进行了确定。通过钻屑法和应力监测法对卸压前后应力情况进行了对比分析，表明卸压措施显著降低了煤体应力集中程度，起到了良好效果。

［1］齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008.

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