坚硬顶板工作面采空区见方阶段动压显现规律及防治技术

李国营 张呈祥

(1. 内蒙古黄陶勒盖煤炭有限责任公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017300；2. 山东能源淄博矿业集团有限责任公司，山东省淄博市，255100)

上覆岩层的断裂、失稳和运动是造成工作面矿压显现的根源，而在工作面采空区见方阶段，覆岩活动最为强烈，采空区顶板活动强度达到峰值，顶板断裂产生的动载较大，动压显现剧烈，工作面动压显现危险性随之增强。当工作面距切眼的距离等于工作面长度时，即为一次见方；距切眼的距离等于工作面长度2倍时，即为二次见方，以此类推。

1 巴彦高勒矿井1103工作面概况

1103工作面是巴彦高勒矿井11盘区的第3个工作面，工作面宽260 m，长3600 m，煤层厚度平均为5.5 m，煤层倾角平均为1.5°，煤层赋存稳定，地质构造简单。煤层硬度为2.6～3.7，老顶为平均厚度13.5 m的中粒砂岩，老底为7.5 m厚的中粒砂岩。1103工作面与1102采空区之间煤柱宽度为30 m。相邻1102工作面回采期间动压显现明显，尤其是当工作面推采至约230 m时，受一次见方影响，在沿空巷道出现了冒顶和瞬时底鼓现象，给矿井安全生产造成了一定的影响。1103工作面相对位置如图1所示。

图1 1103工作面相对位置图

2 1103工作面一次见方阶段动压显现规律

2.1 动压显现情况

2016年1月7日，1103工作面推采至228 m时，一次见方影响开始显现；1月9日，工作面推采至253 m时，见方影响最大；1月14日，工作面推采至290.6 m时，见方影响开始减弱；1月19日，工作面推采至311 m时，见方影响已不明显。具体矿压显现情况见表1。

表1 1103工作面一次见方动压显现统计表

2.2 微震显现情况

2.2.1 微震活动趋势分析

1103工作面一次见方前后1个月时间段内的微震活动趋势如图2所示，其中不包括能级小于102J微震事件。由图2可知，2016年1月7日-1月21日，1103工作面在一次见方区域推采，期间微震频次和能量均明显较高，表明一次见方对工作面微震显现影响较大。

图2 1103工作面一次见方前后微震活动趋势图

1103工作面一次见方期间微震数据统计见表2。由表2可知，1103工作面一次见方期间，共监测到微震事件1348起，总释放能量为8.3×105J，平均每天微震频次90次，平均每天微震能量5.5×104J，与非见方影响区域相比，微震频次和能量分别增加了64%和150%。

表2 1103工作面一次见方期间微震数据统计表

2.2.2 微震事件平面分布

1103工作面一次见方影响区域102J能量以上微震事件平面分布图见图3。1103回风巷一侧微震事件比较集中，尤其是大能量微震事件多发生在工作面保护煤柱及回风巷以西160 m范围内，表明微震活动受1103工作面超前支承压力和1102采空区侧向支承压力叠加影响。1103主运巷和辅运巷微震显现不明显，动压显现危险程度低。

另外，微震事件主要分布在距切眼158～388 m 范围椭圆形区域内，椭圆中心区域距切眼约270 m，正位于一次见方位置附近，表明一次见方位置顶板裂隙持续向上发育，顶板活动依次向前后两侧辐射，并逐渐递减。

图3 微震事件平面分布图

3 1103工作面多次见方阶段动压显现规律

3.1 二次见方阶段

1103工作面在距切眼451～491 m范围推采期间，受二次见方影响，出现了顶板压力积聚、巷道底鼓及两帮收敛变形速度加快、溜尾及回风巷超前区域漏顶、压架等“蠕变”现象。

1103工作面二次见方前后1个月时间段内的微震活动趋势如图4所示，其中不包括能级小于102J微震事件。

图4 1103工作面二次见方前后微震活动趋势图

由图4可知，2016年2月25日—3月13日，1103工作面在二次见方区域推采，期间微震频次和能量均明显较高，二次见方对工作面微震显现影响较大。

1103工作面二次见方期间微震数据统计见表3。由表3可知，1103工作面二次见方期间，共监测到微震事件1164起，总释放能量为6.5×105J，平均每天微震频次65次，平均每天微震能量3.6×104J，与非见方阶段相比，微震频次和能量分别增加了18%和64%，与一次见方阶段相比，微震频次和能量分别减少了14%和22%。

表3 1103工作面二次见方期间微震数据统计表

3.2 三次见方阶段

1103工作面在距切眼705～815 m推采期间，受三次见方影响，出现煤炮增多现象，但现场也没有出现动压显现现象。

1103工作面三次见方前后1个月时间段内的微震活动趋势如图5所示，其中不包括能级小于102J微震事件。由图5可知，2016年4月26日—5月13日，1103工作面在三次见方区域推采，期间微震频次和能量虽有所升高，但影响时间短，也没有对现场造成影响，表明三次见方对工作面微震显现影响不大。

图5 1103工作面三次见方前后微震活动趋势图

1103工作面三次见方期间微震数据统计见表4。由表4可知，1103工作面三次见方期间，共监测到微震事件527起，总释放能量为3.9×105J，平均每天微震频次29次，平均每天微震能量2.2×104J，与非见方阶段相比，微震频次和能量变化不大，与一次见方阶段相比，微震频次和能量分别减少了61%和53%。

表4 1103工作面三次见方期间微震数据统计表

1103工作面三次见方以后的见方影响已不明显，可忽略不计。

4 采空区见方区域的爆破断顶措施

为减小采空区见方对1103工作面安全回采的不利影响，对回风巷见方前后50 m范围进行了深孔爆破断顶。具体施工参数如图6所示。

图6 1103工作面回风巷见方区域爆破断顶剖面图

4.1 施工参数

施工区域为见方区域前后50 m；每2个钻孔为1组，钻孔开孔位置分别为两帮肩窝处；生产帮钻孔按45°仰角施工，孔径75 mm，孔深45 m，间距10 m，装药量18 kg；非生产帮钻孔按50°仰角施工，孔径75 mm，孔深35 m，间距10 m，装药量15 kg。

4.2 施工情况

工作面一次见方、三次见方前后50 m均按设计进行了深孔爆破断顶，二次见方区域由于矿用乳化炸药供应不连续，未能采取爆破断顶措施。

5 爆破断顶效果评价

5.1 矿压显现对比分析

5.1.1 与1102工作面一次见方阶段对比

1102工作面一次见方期间动压显现比较剧烈，导致回风巷大面积冒顶，超前支架被压歪、压实，多处顶板锚杆、锚索被拉断，严重影响了矿井安全生产。

1103工作面回风巷一次见方区域采取了深孔爆破断顶措施，虽然出现了微震活动加剧、轻微底鼓等现象，但总体比较平稳，未对矿井安全生产造成影响。

5.1.2 与1103工作面二次见方阶段对比

1103工作面二次见方区域未采取爆破断顶措施，推采期间，在回风巷超前区域出现了严重巷道变形和漏顶、压架等动力现象。由于未采取断顶措施，上覆坚硬岩层的“蓄能”能力依然较强，在二次见方的作用下，导致了顶板动压显现现象的发生。

5.2 周期来压强度分析

1103工作面一次见方期间支架工作阻力情况如图7所示。

图7 1103工作面一次见方期间支架工作阻力曲线

由图7可以看出，工作面在一次见方影响区域推采期间，即1月5日—1月12日(距切眼201～278 m)，由于之前在此处进行了爆破断顶，周期来压显现均不明显，来压期间的支架工作阻力明显低于未爆破区域。表明爆破断顶促进了顶板裂隙发育，达到了人为控制顶板活动、降低周期来压能量的目的。

5.3 钻孔窥视分析

为校验1103回风巷爆破断顶预裂效果，采用YF1407型多功能钻孔探测仪对效果观测孔进行了钻孔窥视。钻孔不同深度处裂隙发育情况如图8所示。

图8 钻孔不同深度处裂隙发育情况

通过钻孔探测仪探测发现，孔内裂隙发育明显，有效断顶直径超过了6 m，其中距孔口23 m处出现塌孔现象，说明该位置岩体受爆破断顶冲击影响最大，裂隙得到充分贯通、发育。

5.4 微震数据分析

对工作面推采进入断顶区域前后的微震活动进行分析，结果如图9所示。

图9 微震能量趋势分析

由图9可知，进入断顶区域后，微震活动整体减弱，但受三次见方影响，局部区域微震活动有所波动，由于采取了断顶措施，三次见方区域大能量微震波动持续时间短，且未对现场造成破坏。

6 结论

(1)1103工作面一次见方、二次见方、三次见方阶段，均表现出明显的顶板压力增大、煤炮增多等动力现象，微震活动也表现出频次和能量升高的特征。见方影响范围为见方前75 m至见方后51 m，一次见方对动压显现的影响最大，往后依次减弱，三次见方以后的见方影响可忽略不计。

(2)通过微震活动分析，在工作面见方位置，顶板裂隙持续向上发育，顶板活动依次向前后两侧辐射，并逐渐递减。

(3)通过采取深孔爆破断顶措施，周期来压的强度显著降低，表明爆破断顶促进了顶板裂隙发育，达到了人为控制顶板活动、降低周期来压能量的目的。

(4)经钻孔窥视分析，爆破断顶有效范围超过了6 m，并实现了对目的岩层的有效预裂。

(5)在未采取爆破断顶措施的1102工作面一次见方及1103工作面二次见方区域，均出现了不同程度的动压显现，对安全生产造成了较大影响，而采取了爆破断顶措施的1103工作面一次见方、三次见方区域，则未出现动压显现，表明深孔爆破断顶对于见方阶段动压灾害防治、巷道稳定性维护效果明显，并起到了关键性作用

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