急倾斜综放开采冲击地压防治技术研究

侯 斐

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

急倾斜综放开采冲击地压防治技术研究

侯 斐

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

急倾斜煤层开采,冲击地压动力灾害严重,通过煤样测定与地质因素分析,得出王家山煤矿冲击地压的发生原因是煤体物理性质、埋深、顶底板岩性与地质构造综合作用的结果。基于冲击地压开采范围的应力集中现象，结合监测预警、定向解危及高强度支护控制，提出了矿井冲击地压的防治技术，可为类似矿井的安全生产提供了借鉴。

急倾斜煤层；冲击地压；地质构造；定向解危

0 引言

我国不少矿区赋存急倾斜煤层,其开采条件特殊,地质条件较为复杂,开采过程中常伴有冲击地压,严重威胁了矿区的安全生产与经济效益[1-3]。本文以靖远煤业王家山矿急倾斜煤层开采实例为背景，分析了冲击地压的发生机理，提出了冲击地压的防治技术，对改善围岩应力条件，降低冲击地压事故的发生率具有指导意义。

1 工程概况

靖远煤业王家山矿主采2、4煤，2煤厚度7～30 m，平均20 m，4煤厚度10～35 m，平均25 m，两煤层间距25～60 m，平均为40 m，煤层倾角平均41°，属急倾斜特厚煤层。矿井采用大倾角高效综放为主导，水平分段放顶煤为配套的开采体系，先采2煤层，再开采4煤层。

矿井开采中强矿压频发，一般发生于顶板活动期间，且多位于沿顶板巷端头附近，沿顶板巷较沿底板巷强矿压发生频繁且强烈。一、二、四号井均存在冲击地压显现，显现发生块段分布如图1，四号井冲击地压发生位置如图2所示。煤层主要特征的表现如下：

图1 矿压动力发生块段分布图

a、 底板突然隆起、顶板瞬间下沉；

b、 锚杆锚索断裂，产生剧烈震动，并伴随强烈声响及空气冲击波；

c、 煤岩体大量抛出并堵塞巷道，矿井设备发生移动及破坏。

2 冲击地压显现原因分析

2.1 煤层的冲击倾向性

煤层的冲击倾向性是煤的固有属性，也是产生冲击矿压的内在因素，通常采用冲击倾向三指标来衡量：动态破坏时间DT、弹性能量指标WET及冲击能量指数Ke，其临界判据见表1。

图2 冲击地压发生位置(红线标出)

DT≤5050500Ke≥55>Ke≥15<15WET≥52≤WET<5<2鉴定结果强烈中等无

通过测定王家山煤矿2、4煤煤样的冲击倾向指标，判定煤层的冲击倾向性。分别对自然状态及注水条件下的煤样进行测定。一方面得到两煤层的冲击倾向性，同时研究注水对改善煤体物理性质的效果。测定及判别结果如表2所示。

表2 2、4煤层冲击倾向性测定结果

根据表2的测定结果，在自然状态下，2、4煤层具有冲击倾向性，是造成强矿压显现的原因之一。分析自然状态与注水条件下的煤层性质差异可知，注水后，2、4煤的动态破坏时间分别为自然状态下的4.61、3.48倍，破坏时间增加，有利于避免冲击地压的发生；弹性能量指标分别为自然状态下的0.13、0.24倍；冲击能量指数分别为自然状态下的0.41、0.55倍，注水后弹性能量与冲击能量的降低有利于缓和矿压显现现象。

2.2 地质因素

(1) 埋深

随着埋深的增加，原岩应力随之增大，4煤埋深在500 m左右，自重应力与水平应力较大，高原岩应力易导致煤体应力集中而破坏。

(2) 煤层顶板岩性

煤层顶底板岩性及物理力学参数见表3。可见，煤层顶板为巨厚坚硬顶板，其中主关键层为18.65 m厚的细砂岩，亚关键层则由两部分岩层

组成，分别为24.95 m厚的粗砂岩和20.7 m厚的细砾岩。

表3 煤层顶底板岩性表(部分)

工作面开采过程中，坚硬厚顶板能够积聚大量的弹性能，在工作面来压期间，坚硬顶板破断，产生沿层面及垂直于层面的位移，此前积聚的大量弹性能能够在短时间内释放，造成了剧烈的矿压显现现象。

(3) 地质构造[4]

矿区地质构造以断裂为主，褶曲为辅，地层条件复杂。且广泛存在正断层、逆断层及褶皱等多种地质构造。开采实践表明，采掘工程接近向斜轴部或翼部时，常会发生冲击地压现象，这与复杂条件下的构造应力密切相关。矿区的断裂构造发育如图2所示。

图2 断裂构造发育

(4) 煤层倾角

急倾斜煤层开采条件下，由于上煤层已采空，随下煤层的开采，煤岩体在自重的作用下主要表现为沿倾斜方向向下滑动，造成工作面顶板巷承受同层上区段采空区悬伸顶板的载荷，导致应力集中，更容易发生冲击地压现象，这是沿顶板巷较底板巷强矿压发生频繁且强烈的原因。

3 冲击地压防治技术

为最大限度避免或减小冲击地压对生产造成的影响，保证安全开采，必须采取措施减小顶板应力集中程度，释放厚硬老顶岩层中积聚的能量，降低强度与冲击倾向性，使集中应力峰值向岩体深部转移。

3.1 监测预警

为掌握开采范围空间的冲击危险倾向性，要对支架压力、超前单体支柱压力以及煤体应力进行监测[5]。工作面中部顶板活动较为频繁，且来压时支架载荷最大，因而在工作面中部区域要保证支架阻力有一定的富余量。支架压力监测系统如图3所示。

图3 支架压力监测系统

矿压应力监测系统如图4所示。压力传感器获取煤岩体应力数据，经环网交换机对信号进行转换，通过光缆传输至地面，进一步数据处理后可实现远程实时监控，对安全生产进行指导。

3.2 定向解危技术措施

(1) 大直径钻孔卸压

大直径钻孔卸压技术能够降低岩体的高应力值及高应力区范围，并把高应力向煤体深部转移，使采掘空间周围岩体的应力增高区转化为应力降低区[6-7]。

依据钻孔卸压机理,要使高危险区域的破裂区能够形成破裂带，王家山煤矿合理的钻孔间距应为1～3 m；孔径应足够大，且不小于120 mm，增加吸能空间，充分卸压。顺槽两帮大直径钻孔卸压如图5。

(2) 顶板深孔爆破

顶板高应力区深孔爆破能够改变支承压力带的形状与峰值，实现卸压的目的[8]。调整合理的孔深以降低坚硬顶板的承载能力，并确定合理的封孔长度，避免产生抛掷漏斗，王家山煤矿采用马丽散封孔袋进行膨胀封孔或加用2～3 m炮泥封孔形成“塑-刚”封孔结构。炮眼内底各药卷间要彼此密接(仰角较大的炮眼，可在药卷后边顶上一段炮泥，一起送入眼底，用炮泥卡住药卷)。

图4 矿压应力监测系统

图5 顺槽两帮大直径钻孔卸压示意图

(3) 煤层注水

煤层注水预防冲击地压具有成本低、易操作、实用的特点，对煤体结构造成破坏，降低煤体承载能力及弹性性质，减小高应力的峰值大小。王家山矿采用煤层注水主要注意以下几点：保证动压注水压力(10-16 MPa)；保证静压注水时间，充分浸润煤体；控制煤层注水范围：回风巷下行孔，机道上行孔。为强化煤层注水效果，定期检测煤体含水量。

3.3 高强度支护控制

按照《作业规程》及《安全技术措施》的要求进行支护，确保支护强度和工程质量。采用高强锚杆索支护方式，日常掘进作业中，锚杆预紧扭矩1、2号井不小于350 N·m；4号井不小于450 N·m；锚索预紧强度不小于30 MPa。具体支护参数如下：

锚杆：Φ22×2800 mm；

锚索：Φ22×6500 mm；

锚索密度：1500×1500 mm。

支护效果如图6所示。

采取高强度支护措施后，巷道围岩承载能力明显改善，高应力区内移，避免了应力集中现象，有效控制了冲击地压的发生。

4 结论

(1) 急倾斜特厚煤层冲击地压多发于顶板活动期间，底板突然隆起、顶板瞬间下沉、存在强烈声响及冲击波，有煤岩体抛出现象。

(2) 自然状态下，2、4煤具有冲击倾向性，注水后，煤体物理性质明显改善，有利于控制冲击地压。

(3) 煤层埋深、顶板岩性及地质构造造成急倾斜煤层开采的应力集中现象，成为诱导冲击地压的地质因素。

(4) 冲击地压应从监测预警、定向解危技术措施以及加强支护来控制，进行围岩应力实时数据的采集与分析，实现冲击地压的有效防治。

图6 锚杆索支护效果图

[1] 李浩荡，王栓存，王建.浅埋深高阶段综放开采冲击地压原因分析与防治[J].煤炭科学技术，2011，39(7)：25-27.

[2] 于贵良，李前，王元杰.深部急倾斜特厚煤层分层开采冲击地压防治技术[J].煤炭科学技术，2011，39(2)：17-21.

[3] 王建，杜涛涛，刘旭东，等.急倾斜特厚煤层冲击地压防治技术实践研究[J].煤矿开采，2015，20(4)：101-103.

[4] 王业常，欧钦，陶领，等.深部矿井冲击地压影响因素分析[J].煤炭科学技术，2013，41(10)：26-29.

[5] 蓝航，杜涛涛.急倾斜特厚煤层开采冲击地压发生过程监测与分析[J].煤炭科学技术，2016，44(6)：78-82.

[6] 李国玉，李田华.大直径钻孔卸压技术防治巷道冲击危险的研究应用[J].中国煤炭，2016，42(12)：76-80.

[7] 刘旭东.乌东煤矿南区急倾斜特厚煤层冲击地压发生机理与防治研究[J].煤炭工程，2016，48(1)：62-65.

[8] 张兆民.大直径钻孔卸压机理及其合理参数研究[D].山东科技大学，2011.

Research on control technique of rock burst in steep fully-mechanized caving face

HOU Fei

(SafetyEngineeringCollege,NorstChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 101601,China)

Dynamic disaster of rock burst is serious in steep fully-mechanized caving coal seam, through analyzing measure of coal sample and geology factors, it shows that physical property of coal, burial depth, roof and floor lithology and geologic structure are the seasons of rock burst in Wangjiashan Coal Mine. Based on the stress concentration phenomenon of rock burst in mining range, combining measuring and pre-alarming, orientation danger solution with high strength support control, the control technique of rock burst is put forward, and it provides reference for the safety production of other mines.

steep coal seam; rock burst; geologic structure; orientation danger solution

2017-02-03

中央高校基本科研业务费资助(3142015119)

侯斐(1992-)，男，山西霍州人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：煤矿安全。E-mail：442596385@qq.com

TD324+.2

A

1672-7169(2017)01-0050-06