近距离煤层冲击地压防治技术研究

王 星

（大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037000）

本文以塔山矿井近距离煤层开采防治冲击地压为原型进行了深入研究，冲击地压是煤岩体中积聚的应变能突然而猛烈释放造成的，特别是在近距离空间交叉采场内[1]，当上部采场推至距离下部煤层巷道掘进迎头附近时，下部巷道受上部工作面超前支承压力影响，掘进迎头前方煤体上部应力逐渐增大，能量逐渐积聚，引起煤体发生松动破坏[2]，如若能量在瞬间突然释放，会使得掘进巷道迎头松动煤体抛出甚至喷出，涌入已掘巷道，发生冲击地压，造成严重的人员伤亡[3]。

1 近距离煤层开采部署

下行开采二采区1145工作面时，当上部工作面合理布置完毕后，上部煤层工作面布置为下部煤层工作面的保护层。由于二采区煤层受断层影响具有较强的冲击地压危险性，在进行下部工作面布置和采掘时，要考虑上下煤层工作面的合理布置位置以及采掘关系。

1.1 工作面巷道合理布局

1.1.1 空间合理

当近距离1145工作面煤层下行开采时，上部工作面回采过后会对下部煤层工作面产生卸压作用。因此上部工作面回采后会留有一定宽度的煤柱，一般认为在煤柱下方的区域为增压区，应力高于原岩应力，在采空区下方的一定区域为卸压区，应力低于原岩应力，为使下部煤层工作面处于低应力区，往往内错上部煤层工作面煤体边缘一定距离布置下部煤层巷道，目前近距离煤层回采巷道空间位置关系主要有内错式布置、外错式布置和重叠式布置三种形式，如图1所示。

1.1.2 时间合理

对于近距离下行开采1145工作面煤层，不仅要在空间上布置合理，避开上部煤层工作面采动对下部煤层的冲击影响，还要合理协调上、下煤层工作面在采掘时间上的辩证统一关系。

要求上下煤层工作面一般不允许同时进行采掘活动，但是不少矿井在出现采掘接替紧张的情况时，便对近距离煤层同采同掘进行研究与部署。在安排采掘时间关系时，首先保证下部工作面巷道采掘时处于上部煤层工作面的采动影响范围以外，其次保证上部工作面采空区顶板稳定之后，下部工作面才能进行采掘活动。

图1 近距离煤层回采巷道空间位置关系示意图

1.2 相对安全距离

（1）下层煤巷道应力分区

在近距离开采1145工作面煤层过程中，如图2所示，上层煤的回采使得下部煤层分为原岩应力区、增压区与卸压区三个区域，在上层煤回采、下层煤掘进过程中，如何确定三者的范围，对于安全生产格外重要。

图2 近距离上部煤层对下层煤影响区域划分

（2）相向采掘安全距离

当近距离开采1145工作面煤层相向进行采掘活动时，如何确定上部煤层对下部煤层增压区，决定着设置合理安全距离，安排停掘时间，如若安排不合理，极有可能引起冲击地压的发生。

如图3所示，计算相向采掘安全距离见公式（1）、（2）、（3）。

式中：

L-相向采掘最小安全距离，m；

L0-上部煤层工作面超前支承压力传递至下层煤应力影响范围，m；

L1-下层煤迎头应力影响距离，m；

L3-上层煤超前支承压力传递距离，m；

L2-上部煤层超强支承压力影响距离，m；

B-安全距离，由冲击地压波影响范围所决定，一般选择15～30m；

γ-上部煤层层煤的应力峰值传播角γ，一般取 30～45°；

m-层间距，m。

图3 近距离煤层相向采掘安全距离确定

（3）背向采掘安全距离

上部煤层不再是影响下部煤层巷道安全的主导因素时，下部煤层巷道方可开始进行掘进。根据上述理论分析，从空间上确定上组煤与下组煤背向采掘最小安全距离。

随着上部煤层工作面继续向前推采，其采空区垂直区域下部煤层一段区域为其卸压区，如图4所示。在工作面回采过程中，工作面煤壁前方煤体向下有一影响角φ，此影响角以外（即采空区侧）为卸压区，也可叫做卸压角，φ一般取30～40°，则在煤壁下方取一点，采空区下方l水平距离内依然受到上部煤层的采动影响，此l1值：

式中：

l1-背向采掘时最小安全距离，m；

l0-上部煤层对下部煤层的卸压范围，m；

L上-上层煤周期来压步距，m。

2 近距离煤层冲击地压防治措施

对于近距离开采1145工作面煤层时冲击地压防治来说，首先确定“上采下掘”时的安全距离；其次，由于上部煤层采动影响，在下部煤层巷道掘进过程中进行“分段式”防治，如图5所示。

图4 近距离煤层背向采掘应力影响示意图

图5 下部煤层巷道掘进过程中分段式防治

（1）Ⅰ区域防治措施

在近距离煤层“上采下掘”过程中，图中Ⅰ区域始终处于上部煤层的采动影响之下，Ⅰ区域巷道承载着较大的压应力。下部煤层巷道停止掘进前，Ⅰ区域巷道掘进全程进行煤层深孔强注水处理。煤层深孔强注水使煤体软化，使该区域大范围内、大空间内积聚的能量得到有序释放。

（2）Ⅱ区域防治措施

在巷道停止掘进之后，随着上部工作面持续向前推采，下部煤层巷道掘进迎头前方煤体所积聚的能量越来越多，具有发生冲击地压的可能。为此，对该区域煤体进行诱发钻孔爆破处理，制造大范围的破坏区来缓冲上部煤层采动对下部煤层巷道的应力集中，使得迎头前方应力场向煤体深部转移。

（3）Ⅲ区域防治措施

下部煤层巷道恢复掘进之后，处于上部煤层工作面保护层范围内，即处于静压影响区域。钻孔卸压能把巷道周围的应力集中区转移到巷道围岩深部，卸压效果好，灵活可靠，不受井下煤层地质条件的限制，具有较强的适应性。因此在掘进过程中，遵循“边探边掘”的原则，发现危险即采取钻孔卸压的措施进行处理。

3 近距离煤层冲击地压防治情况效果

3.1 近距离煤层冲击地压防治情况

在煤层具有冲击危险倾向区，采用大直径钻孔卸压及煤体爆破相结合的方式，进行煤体卸压。在一般危险区，为最大幅减少钻孔卸压对巷道掘进的影响，应采用施工注水硐室对煤层进行超前注水作业。其参数一般设置为：注水硐室宽3m，高2.8m，深3m，帮部锚杆为Φ18mm×2000mm，间排距为1000mm×100mm，锚固长度≥1m，最小锚固力不小于60kg。其解危方案如图6所示。

图6 一般冲击危险区解危方案

3.2 近距离煤层冲击地压防治效果

采用电磁辐射仪对塔山煤矿1313工作面下平巷掘进过程进行监测，两个月间电磁监测结果如图7所示。强冲击危险区域电磁辐射脉冲强度和频次均最高，脉冲强度不小于100mV，最大时为180mV；一般冲击危险区域电磁辐射脉冲强度和频次均降低，脉冲强度不小于20mV，最大时为100mV。当采取上述分区域冲击地压卸压措施后，电磁辐射的强度均低于临界指标。说明分区域冲击地压解危措施有效降低了冲击地压危险，取得了很好的效果。

图7 不同冲击危险区域电磁辐射监测结果

4 结语

本文主要研究塔山煤矿1313工作面近距离煤层开采时，如何防治冲击地压技术，通过理论分析近距离煤层冲击地压可能的影响因素，根据近距离煤层时空作用机制以及发生冲击地压时危险程度的动态性变化情况的分析，推导了近距离煤层相向与背向采掘合理的水平安全距离的计算公式，同时为其他矿井近距离开采煤层时防治冲击地压提供了宝贵经验。