急倾斜特厚煤层冲击地压防治技术实践研究

王 建，杜涛涛，刘旭东，蓝 航

(1.神华新疆能源有限责任公司，新疆乌鲁木齐830084;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

1 矿井概况

乌东煤矿井田面积约20.28km2，地质资源量1.32Gt，设计可采储量0.694Gt。B1+2煤和 B3+6煤为全区可采的2层巨厚煤层，布置了B1+2工作面和B3+6工作面，B1+2煤层平均厚度37.45m，B3+6煤层位于B1+2煤层北部，与B1+2煤层相距53～110m，煤层平均厚度48.87m，两煤层倾角平均88°，工作面采用水平分层综采放顶煤后退式回采方式，阶段高度为25m，全部垮落法处理顶板。

2 急倾斜特厚煤层冲击地压发生原因

2.1 冲击地压发生情况

2013年7月2日5点08分，乌东煤矿+500m水平B3+6综放工作面发生冲击地压显现。+500m水平 B3巷冲击显现范围1070～1450m，其中，1265～1365m范围内显现较严重，巷道南帮底角出现底鼓，底鼓量200～450mm，北帮悬挂的电缆掉落，南帮锚杆位移，位移量100～250mm，托盘崩脱，“U”型钢棚收缩，收缩量400mm，巷道帮鼓量达到500mm。+500m水平B6巷冲击地压显现范围1066～1272m，其中，1066～1100m范围内冲击地压显现严重，该范围内巷道南帮帮鼓，帮鼓量500～900mm，南帮底角底鼓，底鼓量 200～500mm，南帮高压电缆接线盒掉落，胶带H架轻微变形。+475m水平B6巷冲击地压显现影响范围1080～1203m，该范围内巷道南帮底鼓，底鼓量150～300mm，南帮出现不同程度的变形，变形量300mm。

2.2 冲击地压发生原因

(1)地质因素 根据煤岩层冲击倾向性鉴定结果，乌东煤矿B3+6煤属于Ⅱ类，为具有弱冲击倾向性的煤层，该煤层顶板岩层应属Ⅱ类，为具有弱 (偏向于强)冲击倾向性的顶板岩层。

+500m水平B3+6工作面平均埋深350m，其底板为53～110m的厚层岩柱，顶板也是厚层岩层，煤岩自身冲击倾向性、埋深及顶底板岩层结构是冲击地压发生的必要条件［1－2］。

(2)开采技术因素 +500m水平为回采水平，+475m水平为掘进水平，因矿井单翼布置工作面，不可避免出现采掘相向的影响;水平分段高度为25m，煤层倾角88°，属于近直立的急倾斜煤层，类似开采条件的矿井发生过严重冲击地压案例［3－4］。矿井采掘期间主要在切眼煤柱、废弃矿井煤岩柱、老矿井仓储式开采遗留煤柱、停采线煤柱区域矿压显现强烈，前期缺少有效监测设备进行危险源辨识，初步分析开采技术因素是诱发冲击地压发生的主要因素。

(3)危险源辨识 为辨识水平分段综放开采的主要危险源，采用微震监测系统监测采矿诱发围岩活动。按微震事件不同能量等级进行统计，统计结果如图1所示，其中，等级Ⅰ:0～103J;等级Ⅱ:103～104J;等级Ⅲ:104～105J;等级Ⅳ:105～106J;等级Ⅴ:106～107J;等级Ⅵ:107～108J;等级Ⅶ:108J以上。

图1 微震事件能量等级

综合分析现场矿压显现与不同能量级的关系，分析得到诱发冲击地压显现的主要是高能事件，即能量等级IV～等级VII的事件，约占微震事件的8%。

图2所示为高能微震事件不同区域分布统计结果。高能量事件主要分布在B2－B3岩柱中，近百米厚的岩柱是高能量事件产生的主要区域，是导致冲击地压显现的主要危险源。

图2 高能量事件分布

3 急倾斜特厚煤层冲击地压防治实践

确定了B2－B3煤层岩柱活动是影响冲击地压的主要危险源，因此急倾斜特厚煤层冲击地压防治重点是控制B2－B3煤层岩柱剧烈活动，但急倾斜特厚煤层顶底板处理尚无成熟经验可借鉴，需通过现场实践研究急倾斜特厚煤层岩层控制技术。

根据地表观测结果可知，B2－B3岩柱垂直方向未出现断裂，形成数百米高近似垂直岩层，该岩层破裂过程容易失稳产生高能量事件，并以动载荷作用施加到工作面煤体引起冲击显现，主要从以下2个方面开展现场防冲实践［5－7］:

(1)空间结构破断防冲 沿岩层的一定高度进行空间预裂，采用地面深孔预裂爆破切断岩层的活动影响范围和降低能量的积聚。一方面降低大范围的岩层活动对工作面回采的影响，另一方面降低悬顶长度，减少岩层的弯曲弹性变形能的积聚和释放。

(2)强度弱化防冲 实施注水软化回采空间周围岩层，降低岩层的强度。一方面释放岩层积聚的弹性应变能，另一方面减弱高能量事件产生的动载作用［8］。

3.1 地面爆破现场实践

(1)爆破位置 如图3所示，根据地面垮落和工作面危险区域防治需要，地面沿B2－B3岩柱倾向方向布置，对应1400m石门位置处。

(2)钻孔施工 使用潜孔钻机施工4个爆破孔，爆破孔底标高为+600m水平 (地面标高+850m水平)，爆破孔直径300mm，孔深250m，炮孔角度90°，孔间距10m。

(3)装药及爆破 爆破采用单孔分2段装药、4个孔一次性爆破的方式，炸药采用乳胶基质炸药。每个孔分2段装药，每段装药长度60m，装药量5760kg，孔间由木桩填塞。

图3 地面爆破孔布置示意

(4)效果检验 图4为采用PASAT－M便携式微震仪对岩柱应力的探测结果，探测区域其他条件基本一致，岩体动态应力与地震波波速大小成正比，震动波波速高的区域相应的应力也就越大。地面爆破前，岩柱应力集中影响区域大，应力集中程度高;地面爆破后，岩柱测区平均波速由原来的3.8m/ms降为3.6m/ms，岩柱高应力集中影响范围及集中程度明显降低。因此，地面爆破改善了岩柱应力分布，降低了岩柱整体的应力水平与岩柱的整体性。

图4 地面爆破前后PASAT－M探测结果

3.2 岩层注水现场实践

(1)钻场布置 为了注水弱化坚硬岩层，在+500m水平B2巷1355m处开口，垂直巷道帮沿岩体倾向施工石门和钻场。石门长度20m，断面4m2，钻场断面18m2。

(2)注水参数 如图5所示，在硐室东西两侧沿岩柱走向两侧各布置2个注水孔，注水孔角度9°和80°，孔径113mm，1号孔长度192m，2号孔长度105m，3号孔长度114m，4号孔长度299m。封孔长度15m，用马丽散封孔。1号注水孔水压达到8MPa左右时，在1320m处出现漏水现象后停止注水，注水历时2d。2号注水孔水压达到8MPa左右时，石门淋水较大，故停止注水，注水历时1d。3号孔注水压力达到12MPa，持续2d后水压降到7MPa左右，3d后停止注水。4号孔注水压力达到12MPa，持续2d后水压降到8MPa左右，8d后停止注水。

图5 岩柱石门注水孔布置

(3)效果检验 图6为微震监测岩柱注水前后的微震事件频次分布，反映了岩柱整体活动剧烈程度，现场实践表明:注水前岩柱高能事件频发，注水后高能量事件有效降低，岩柱的能量得到有效释放;注水后，低能量等级微震事件上升，高能量等级微震事件降低，说明注水有效降低了岩柱活动的剧烈程度。

图6 岩柱注水前后的微震事件频次分布

4 结论

乌东煤矿冲击显现发生后，综合利用空间结构破断和强度弱化防冲思想，开展了岩柱地面深孔预裂爆破和注水软化现场实践。实践表明，岩柱地面爆破可以有效改善应力分布和降低岩柱中的应力集中程度;注水也可以有效释放岩柱能量和降低岩柱活动强烈程度。但目前针对急倾斜特厚煤层冲击地压的防治技术国内外研究较少，形成有效、经济的控制技术任重道远。

［1］窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2001.

［2］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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