利用卸压钻孔诱发能量判别冲击危险类别的技术与实践

白俊杰

（中煤西北能源公司乌审旗蒙大矿业，内蒙古 鄂尔多斯 017300）

煤矿冲击地压作为一种地质灾害，且地质构造作为一种极其复杂的冲击要素[1].在采掘扰动前对冲击隐患受力、类型进行辨识，提前采取针对性的防冲部署，显然是对冲击地压灾害形成有效治理的一种必要手段[2]。纳林河二号矿井在盘区三维地震（含电法）勘探确定了31103 工作面3DHF1 地质异常体基本位置和形态，后续生产中经巷道揭露、多次钻孔探测，证实该异常体为组合断层群，但31103工作面回撤通道区域是否受该地质异常体的构造影响问题仍不清楚。为了查清回撤通道是否受地质异常体构造影响，通过对特厚煤层卸压钻孔诱发煤体破裂而产生的能量事件进行统计、分析，发现在特厚煤层中部施工的卸压钻孔所诱发的能量事件均位于钻孔至煤层顶板范围，为典型的顶板压力模型，因此回撤通道不受3DHF1 地质异常体构造的影响。据此判定：无需对地质异常体进行爆破处理，避免了防冲爆破卸压工程的盲目施工，为今后类似条件下冲击隐患类型辨识提供了新的途径。

1 概述

1.1 矿井及工作面概况

纳林河二号矿井位于鄂尔多斯聚煤盆地内部，毗邻陕北斜坡的隆起带，井田地质动力环境为中等。矿井设计生产能力8.00 Mt/a，矿井采用深立井开拓、分盘区布置，现主水平位于3-1 煤层，埋深550 m左右，31103 工作面长241 m，可采走向长度1787 m，煤层厚度5.5 m，为近水平煤层。经鉴定，3-1 煤顶板和煤层为强冲击倾向性，底板为弱冲击倾向性，冲击危险评价等级为中等。31103-1 工作面末采期间受地质构造异常体和31102 采空区侧向支撑压力、本工作面采动应力、T 型交叉巷道和煤柱高应力集中等多种因素的影响。

1.2 地质异常体基本状况

根据《3DHF1 地质异常体探查成果报告》显示：初步判断3DHF1 地质异常体为多条组合断层群，平面呈圆形分布，落差20～25 m，该地质构造预测长度397 m。地质异常体东侧边界为一正断层（3DHF1：230 ∠31°，H=4 m），辅回撤通道胶运侧距离地质异常体的垂直距离为64 m，辅回撤通道风门处距离地质异常体146 m，如图1。

1.3 末采防冲关键问题—力源类别的确定

根据以往国内外冲击地压防治经验分析[3]，地质构造对冲击地压防治的影响最复杂，灾害程度最严重。经多次探测、分析、论证，3DHF1 地质异常体形成原因及影响范围仍存在不确定性，3DHF1 地质异常体东侧边缘是否延伸或尖灭范围至31103-1辅回撤通道附近区域，辅回撤通道在末采阶段是否会受到构造应力和本工作面采动应力等多因素叠加的影响，可能造成31103-1 工作面末采直至回采贯通阶段的冲击地压防治问题极为复杂[4]。

为了确保31103-1 工作面末采安全顺利贯通，需提前对辅回撤通道是否处于3DHF1 地质异常体影响范围和31103-1 辅回撤通道附近区域煤层受力进行判别，为后期防冲工程（顶板松动爆破和断底爆破[5]）实施的必要性提供有力指导。

2 分析思路

根据地质构造、断裂基本理论，结合目前3DHF1 地质异常体的探测结果分析，3DHF1 地质异常体东侧边缘为一正断层（落差4 m，倾角31°）。根据地质构造断裂理论，断层错动过程中，两侧煤层受到牵引，煤层产生弯曲变形。根据影响范围将断裂面两侧附近区域划分为构造影响区和不受构造影响区，如图2。

图2 断层牵引附近煤层弯曲、变形示意图

鉴于上述分析结果，根据31103-1 工作面回撤通道区域是否受地质异常体影响，按煤层受到牵引后，产生弯曲和变形的思路，形成构造应力型模型、底板凸起型模型和顶板压力型模型。图3 中三个模型中，均假设水平侧受到固定约束。三种模型详述如下。

图3（a）为受构造应力影响的模型，煤层顶板和底板同处于断层断裂、褶曲等地质构造影响范围，该处煤层顶板和底板同时受到向上、向下的挤压应力；

图3（b）中煤层底板受到垂直向上的挤压力，造成煤层底板挤出、鼓起，也是构造应力模型的一种；

图3（c）为典型的顶板集中压力的模型，煤层顶板受较大的、垂直向下的压力，同时左右两侧及底板受四周煤岩体固定约束。

图2 中“巷道位置一”对应于图3（a）中构造应力型模型和（b）底板凸起型模型，“巷道位置二”对应于图3 中（c）顶板压力型模型。

图3 特厚煤层中三种典型的钻孔诱发煤层破裂模型

3 大直径卸压钻孔施工诱发能量事件

3.1 分析对比原则

（1）选取煤体卸压钻孔施工对应区域的微震能量事件。

（2）从时间和空间上，最大限度避开本工作面回采扰动应力影响。

3.2 选择结果

（1）时间选择：2020 年5 月20 日—5 月23日期间（4 天），工作面未生产，停产后两天选取数据（5 月22 日中班—5 月23 日夜班）；

（2）截至2020 年5 月20 日，工作面剩余可采走向长度333 m，距离微震事件分布区域387.2 m；

（3）31103-1 辅回撤通道西侧（地质异常体侧）20 m 范围。

3.3 诱发能量事件分布规律

通过在31103-1 辅回撤通道回风侧地质异常体区域施工大直径卸压钻孔（表1 所列），并对煤体破裂诱发的能量事件进行统计（表2 所列），大直径钻孔诱发附近煤体破裂（能量事件的释放）有以下特点：

（1）钻孔诱发能量事件介于4.0×102J 至2.3×103J，单个事件平均能量1 228.74 J；

（2）大直径卸压钻孔诱发能量的总频次中，二次方和三次方事件各占比50%；

（3）煤体大直径卸压钻孔诱发能量事件均分布于钻孔至煤层顶板的高度范围，如图4；编号1#～9#和11#微震事件为煤体大直径卸压钻孔钻进过程中，附近煤体出现破裂、能量释放；

（4）初步分析，10#和12#微震事件为煤体大范围卸压引起上覆岩层位移、破裂，顶板卸荷能量事件发生于煤层上方7～9.5 m 高度范围，对应上覆岩层7.7 m 厚粉砂岩和4.4 m 厚度砂质泥岩。

表1 大直径钻孔施工统计表

图4 钻孔诱发能量事件垂直分布

4 工程实践检验

根据以上分析、判断，辅回撤通道区域受力为顶板压力型模型，初步排除地质异常体构造应力因素的影响，辅回撤通道布置位置不在3DHF1 地质构造异常体东侧边缘影响范围。在明确了末采阶段回撤通道区域的冲击危险类别后，没有必要对地质异常体附近区域采取顶板爆破，避免了防冲爆破工程的盲目施工。对31103-1 辅回撤通道施工顶板高压水力预裂、帮部卸压钻孔和“单体+π 梁”、单元支架、组合锚索等支护措施，31103-1 工作面进入末采后实现了安全顺利回采贯通。

表2 大直径钻孔诱发能量事件统计表（KJ551 微震监测系统）

5 结论

（1）在类似的地质构造复杂区域特厚煤层条件下，通过对煤体大直径卸压钻孔的诱发能量进行分析，可作为一种新的冲击隐患类型排查手段，有效指导后续防冲工程的实施。

（2）大直径卸压钻孔诱发能量最大能达到103级别，在松软破碎煤层施工时，需做好近距离诱发能量造成的顶板事故。