千米深井半孤岛工作面冲击危险性评价与综合防治

杨贤江 梁东辉

（淄博矿业集团有限责任公司， 山东 淄博 255120）

冲击地压是指煤矿井下巷道或者工作面周围的煤岩体由于其内部积聚的弹性变形能的瞬间释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，冲击地压发生时，经常伴有煤岩体抛出、巨响和气浪等。冲击地压具有很强的破坏性，有时会引起数百米巷道的严重破坏，是煤矿的几大灾害之一。目前随着我国浅部煤炭资源逐渐减少，煤矿开采深度逐渐增加，因而越来越多的煤矿受到冲击地压的威胁。煤矿井下开采时受到各种各样因素的影响，为了保证工作面的正常接续，避免相邻工作面之间采掘的相互影响，有时会采用跳采的方式进行接续，从而产生非对称结构构成的半孤岛工作面，半孤岛工作面的形成会使得工作面附近区域煤岩体内的应力分布更加的不均匀，增加冲击地压发生的风险。为保证该类工作面的安全生产，有必要对其冲击危险性进行评价，采取针对性的防治措施，以指导现场工程应用。

1 工作面概况

高家堡煤矿为典型的大采深、多灾害并存矿井，目前主采4煤层埋藏深，102工作面标高为 +112.1m～ +129.9m，地面标高 为 +956.9m～+1142.6m，地质构造较为复杂。矿井地应力场以水平应力为主，属于水平应力场类型，经测定，高家堡煤矿最大水平主应力在37.29～38.67MPa之间，属超高地应力区，此类型地应力场对巷道顶底板的稳定较为不利。矿井也曾发生过多起大巷掘进期间的强烈动力现象，多次造成掘进迎头及已支护段出现大面积顶板瞬间下沉或切顶，下沉量最大700mm，厚度达200mm的支护体整体冒落，顶板锚索频繁破断，严重时期甚至导致皮带掀翻、掘进机发生显著位移等现象。102工作面为矿井一盘区第三个开采工作面，在101面采空区及103面的东北侧，与103工作面保护煤柱为6m，为典型的大采深半孤岛工作面，工作面所采4煤属于Ⅲ类，为具有强冲击倾向性煤层。4煤的顶、底板岩层均属于Ⅱ类，为弱冲击倾向性的顶、底板岩层，在工作面回采过程中具有发生冲击地压事故的危险性。

2 工作面非对称围岩结构分析及冲击危险性评价

冲击地压的力学来源于工作面静载荷以及动载荷的叠加。其中的静载荷有地应力、支承压力、构造应力、断裂应力等，动载荷由采掘工作面生产过程中煤岩体的断裂、顶板岩层的断裂活动、断层的活化等产生的矿震形成。半孤岛工作面特别的围岩结构形态决定了其沿空侧巷道与实体煤侧巷道围岩位移和受力具有非均称特性，特别是沿空侧巷道处于动压区，频繁的采动影响导致其特殊的围岩结构，沿空动压巷道围岩结构如图1所示。

图1 半孤岛工作面沿空动压巷道围岩结构图

受邻近工作面采动影响，不同开采时期半孤岛沿空动压巷道基本顶围岩结构不同，在开采之初围岩结构如图1（a）所示，逐渐向图1（b）转变，此时顶煤和窄煤柱会迅速的由弹性体变成塑性体，承载能力降低。该阶段巷道应力集中较为强烈，围岩变形较大，这就要求巷道的支护体在具有较高的支护强度的同时必须还能够进行适当的变形。最终半孤岛工作面沿空巷道形成图1（c）弧形三角块结构，此阶段基本顶的岩层会出现断裂以及旋转下沉，对沿空巷道形成动载荷持续性的静载，进而导致巷道的破坏和持续性变形，因此此阶段对巷道的变形影响最大。

影响102工作面冲击地压危险状态的影响因素有：开采深度、煤层及顶板冲击倾向性、顶板岩层结构、采空区影响、煤柱留设、底煤厚度、断层构造影响、地貌地形等。为保证工作面的安全生产，行之有效的方法是对工作面冲击危险性进行预评价，划定冲击地压危险性，截止到目前，国内外学者进行了深入研究，已经提出了多种评价冲击危险性的方法，以综合指数法应用最为广泛。

根据高家堡煤矿影响冲击危险的7个地质因素和12个开采技术因素并分析确定各因素的权重，依据综合指数法计算得到工作面冲击危险性综合评价结果如表1所示。

表1 102工作面冲击危险性综合评价结果

从表1可以看出，102工作面具有强冲击危险，由表中可见以地质因素影响的冲击地压危险指数较高，表明地质因素对工作面冲击危险性起主导作用。煤层上方有巨厚岩层，巨厚岩层在未破断前由于持续悬顶会对下部的煤岩体产生持续的静载荷，致使煤岩体内弹性变形能持续积聚，在悬顶破断时，还会对煤岩体施加一个较大的动载荷进而诱发冲击地压。上述因素综合影响，使得102工作面的冲击危险性增加。另外，102工作面在掘进过程中，留设底煤较厚，更进一步增强了102工作面回采期间的冲击危险。

3 冲击地压治理方案

在冲击地压危险性预评价的基础上，为及时有效的预测冲击危险程度，圈定可能发生冲击地压区域，尽快采取治理措施解除冲击危险，在正常回采过程中，采用ARAMIS M/E微震监测系统对集中动载荷进行监测，得到矿井范围内微震事件的坐标、能量以及数量等信息。利用KJ743煤矿冲击地压应力无线监测系统和KJ216煤矿顶板动态监测系统对集中静载荷进行监测。现场使用钻屑法进行监测，综合以上信息进行冲击危险程度的判定，并制定以大直径钻孔卸压为主、煤层爆破卸压为辅的冲击地压治理方案。

3.1 大直径钻孔卸压

由于102工作面冲击危险程度较高，在掘进期间已按照1.6m间距对两顺槽布置了大直径卸压钻孔，回采期间的常规卸压方法仍以大直径钻孔为主，俯视图如图2所示。

图2 大直径卸压孔俯视图

（1）施工区域：自工作面切眼开始，施工位置位于巷道回采帮及底板。因煤层变薄等因素影响无法施工的地点除外。

（2）施工参数：钻孔直径150～153mm，钻孔深度25m，距底板高度1.5～2.2m，使用黄泥封孔，封孔深度不小于2m。

（3）钻孔间距：

① 强冲击危险区域内，施工双排卸压孔，孔间距0.8m，排间距0.5m，倾角与煤层倾角相同；

② 中等冲击危险区域施工单排孔，孔间距0.8m，倾角与煤层倾角相同；

③ 弱冲击危险区域施工单排孔，孔间距1.6m，倾角与煤层倾角相同。

工作面沿空侧，由于其应力异常集中现象更为明显，且应力集中程度更高，必要时可采取加密钻孔间距的方式，对重点区域进行重点的大直径钻孔卸压处理。

3.2 煤层爆破卸压

在监测到冲击危险时，且采用大孔径卸压效果不明显时，应对煤层实施爆破卸压，工作面危险区域爆破卸压如图3所示。

图3 工作面危险区域爆破卸压示意图

在工作面生产帮进行爆破卸压时，炮孔距离巷道底板1.2～1.5m，平行煤层倾向，孔深15m，直径42mm，孔间距5m。装药长度8m，共计8kg，采用正向装药，使用导爆索和1个毫秒延期电雷管起爆，在引爆药卷的外端放入2块水炮泥，其余全部用炮泥填实，同时起爆，封孔长度不低于7m，一孔一放，钻孔长度小于8m不得装药爆破。

3.3 效果检验

对于防冲的卸压解危效果必须进行解危效果检验，一般是通过微震监测、应力监测和钻屑监测等监测手段来对比解危前后各种监测数据的变化。若解危措施实施后，各监测结果表明仍然存在冲击危险，则继续进行卸压解危，并进行再次效果检验，直至冲击危险得到解除。同时根据工作面不同区域冲击危险程度的不同针对性的制定相应的防冲措施，从防范与治理方面往下开展，在先后采取各种治理措施的同时及时采用钻屑法进行检验，并确定下一部治理或者解危措施。

4 结论

（1）高家堡煤矿为典型的千米采深矿井，102工作面具有强冲击危险性，开采煤层具有强冲击倾向性，顶底板具有弱冲击倾向性，底煤厚度大，具有厚硬顶板，都使工作面回采期间具有发生冲击地压事故的危险性。

（2）半孤岛开采围岩结构决定其沿空侧巷道支承压力容易发生异常集中，在工作面掘进布置大直径卸压的基础上，在回采期间采用大直径钻孔卸压为主、煤层爆破卸压为辅的冲击地压解危措施，特别是针对其半孤岛的沿空侧，必要时可采取加密大直径卸压钻孔间距的方式，以进一步降低工作面应力集中程度，对保证工作面安全生产具有重要意义。

（3）在工作面采取冲击地压防治措施后，需及时对解危措施进行检验，检验方法有钻屑法、微震监测等，直至解除该区域冲击危险为止。