急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击机理及防治

2021-07-24王正义窦林名曹晋荣

煤矿安全 2021年7期

王正义，窦林名，何江，曹晋荣

（1.常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州 213032；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116）

近年来，冲击地压呈现快速增强的趋势，已成为煤矿地下开采的重大灾害之一[1]。我国急倾斜煤层开采的矿井遍布全国20多个矿区，占国内煤炭总储量的15%～20%[2]。针对煤厚20 m以上的急倾斜特厚煤层，一般采用水平分段综放采煤法。随着开采深度和强度的逐年增大，部分矿区的急倾斜特厚煤层开采中发生了多起冲击地压灾害[3-6]，严重制约煤矿安全生产。诸多学者针对急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击地压机制和防治技术开展了大量研究。在冲击地压机理方面，鞠文君等[7]通过现场原位测量及力学推导分析了多分层同采影响下急倾斜特厚煤层巷道冲击地压成因。王宁波等[8]通过综合分析急倾斜煤层水平分段开采煤岩体结构及巷道围岩破裂形态，指出急倾斜特厚煤层巷道围岩存在分区破裂特征。来兴平等[9]通过理论分析和现场原位监测发现，急倾斜煤层浅转深综放开采中动力灾害实质为水平分段多阶段开采重复扰动下覆层结构失稳诱发的循环性动力冲击。在冲击地压防治方面，来兴平等[10]构建了急倾斜煤层巷道冲击“先注水后爆破”的解危技术体系，并通过微震监测验证了防治效果。杜涛涛等[11]基于微震监测分析了急倾斜煤层上采下掘的致灾机制，提出了及时停止下分段掘进的防冲对策。张基伟、王金安[12]提出了大倾角特厚煤层悬顶结构弹性能定向释放防冲方法，可有效防控回采巷道冲击灾害。综上，现有的急倾斜特厚煤层开采冲击地压的主要研究对象是巷道冲击灾害，针对急倾斜特厚煤层工作面冲击的研究报道较少，尚未全面揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击发生机理，也缺乏针对性的防治措施。为此，以窑街三矿五采区为工程背景，提出了急倾斜特厚煤层水平分段开采的动静载叠加诱冲机理以及针对性的防治对策，并通过现场监测数据验证防治效果。

1 急倾斜特厚煤层赋存及开采特征

1.1 采区概况

窑街三矿五采区属于急倾斜特厚煤层赋存，采用走向长壁水平分段综放采煤法。五采区煤层倾角45°～62°，煤层平均厚度为54.8 m，设计分段垂高为11.2 m，其中采高2.8 m，放煤8.4 m，采放比1∶3。运输巷沿顶板布置，回风巷沿底板布置，均设在煤层中。首采分段工作面标高为1 664 m，5521-20工作面为五采区第20个分段工，底界标高为1 400～1 403 m，采深480～510 m。5521-20工作面走向长1 020 m，倾斜宽36～80 m。五采区钻孔综合柱状图如图1，5521-20工作面剖面图如2。

图1 五采区钻孔综合柱状图Fig.1 Comprehensive stratigraphic column of No.5 mining district

1.2 冲击地压显现特征

2016年3月24日01：50，窑街三矿五采区发生一起里氏2.4级震动，导致5521-20工作面发生冲击地压事故，工作面靠近顶板区域大量支架立柱折断，38副综采支架被不同程度的压垮，底板隆起1.3～1.5 m，并产生平行裂缝，窑街三矿“3.24”事故现场破坏情况如图3。

图2 5521-20工作面剖面图Fig.2 Profile of LW5521-20

图3 窑街三矿“3.24”事故现场破坏情况Fig.3 Filed destructions of“3.24”accident in Yaojie No.3 coal mine

2016年6月29日，5521-20工作面从运输巷距离工作面47.2 m处，至P22#点前17 m（总长44 m）发生设备列车颠翻，巷道两帮最大移近量80 cm，顶底板最大移近30 cm，个别支架压力示数超过40 MPa。此外，5521-20工作面在回采期间，还经常出现“板炮”、“煤炮”和液压支架工作阻力超限等情况，严重制约了矿井的安全生产。

2 急倾斜特厚煤层开采冲击地压机理

2.1 静载力源分析

急倾斜煤岩系统总静载σs可表示为：

式中：σs1、σs2分别为急倾斜煤岩原岩应力和采动应力，Pa。

2.1.1 原岩应力场

统计表明[13]，采深与冲击地压发生概率成正相关关系，冲击临近发生深度一般为400 m。窑街三矿未开采区域煤二层埋深多为480～800 m，属于深井开采，达到发生冲击的深度，且随着开采不断加深，冲击地压危险逐步增大。

此外，窑街三矿全矿井地质构造较为复杂，断层、褶曲构造发育，共存在3条褶曲和68条断层。对于五采区而言，5521工作面附近的F607断层（落差50～150 m）处于尖灭区，该处构造应力集中；5521工作面还受到切眼附近的F15断层（落差150 m）切割的影响等。当工作面采掘活动进入地质构造区域时，尤其是在落差较大的断层区域和褶曲轴部区域时，冲击危险性较高。

2.1.2 倾向采动应力

急倾斜煤层水平分段开采过程中，由于煤层倾角较大，导致覆岩关键层易形成超长悬顶结构，使得顶板巷（运输巷）围岩和工作面上端头处于高应力集中状态[14-15]；顶板巷相对上部采空区属于外错布置，外错距离为10～15 m，使得顶板巷围岩应力集中程度加剧。分段工作面依次下行开采的采掘扰动导致两侧顶底板均有向中部采空区回转的趋势，进而形成1组方向相反的剪切作用力，使得处于顶底板夹持状态下的底煤易发生动力型的剪切滑移失稳，急倾斜特厚煤层水平分段开采采动应力集中如图4。

图4 急倾斜特厚煤层水平分段开采采动应力集中Fig.4 Stress concentration in horizontal section mining of a steeply inclined,extra-thick coal seam

基于窑街三矿五采区地质和开采条件，采用FLAC3D有限差分数值模拟手段，获得的水平分段开采条件下沿急倾斜煤层倾向最大剪应力和塑性区分布结果如图5。

图5 窑街三矿五采区开采过程FLAC3D数值模拟结果Fig.5 FLAC3D numerical simulation results of mining process in No.5 mining district of Yaojie No.3 coalmine

由图5可知，分段工作面顶板侧煤体处于剪切应力集中区，而底板侧煤体则基本处于塑性区；工作面煤体被顶底板夹持在中间，受采动影响，工作面应力重新分布后顶底板侧的应力分布不均衡，顶板侧所受的应力集中程度较高。工作面由上至下分层回采，竖向应力得到释放，但仍受到较大的水平应力，因此静载条件中采动支承应力影响最大，导致底煤处于高应力集中状态，成为诱发冲击的静载力源。

2.2 动载力源分析

采掘扰动下急倾斜煤岩体所积聚的弹性能通常以震动波的形式向周围传播而形成矿震[16-17]，矿震扰动施加给煤岩体的峰值动载荷σd可表示为[18]：

式中：σdP、σdS分别为P波、S波产生的动载，Pa；ρ为煤岩体密度，kg/m3；vP、vS分别为P波、S波传播速度，m/s；（vPP）P、（vPP）S分别为P波、S波引起的质点峰值震动速度，m/s。

急倾斜特厚煤层水平分段开采过程中覆岩运移幅度大、动态性强，易形成冲击载荷[19]，其上部采空区是一个随采动不断扩大和移动的动态陷落漏斗。为研究急倾斜分段开采过程中的动载来源，基于窑街三矿五采区的地质条件，构建了UDEC离散元数值模拟模型，开采至第10、第15、第39、第45分段的覆岩破断及运移情况如图6。

图6 急倾斜煤层水平分段开采覆岩结构破断及失稳过程Fig.6 Failure and instability process of overburden structures in horizontal section mining of a steeply inclined,extra-thick coal seam

由图6（a）和图6（b）可知，急倾斜煤层在分段开采过程中，上位覆岩所形成的较大悬顶结构会率先发生倾倒；由图6（c）和图6（d）可知，随着采深的增加，下位覆岩在破断、回转、搭接的过程中在采空区内形成了拱结构，一旦失稳将给工作面带来冲击危险。综上，急倾斜特厚煤层开采覆岩具有上位倾倒、下位成拱、失稳冲击采场的运动模式。

急倾斜煤层覆岩结构破断及失稳诱发动载模式如图7。当急倾斜煤层破断覆岩相互搭接满足拱结构稳定条件时，分段工作面液压支架仅承担工作面顶煤和直接顶的自重载荷；然而，随着采掘空间的扩大，一方面覆岩未破断岩块由于悬露长度达到破断条件而发生回转破坏，另一方面采空区下位拱结构由于缺少下部有力支撑而出现跌落失稳，无论是哪一种破坏形式，均会给分段工作面施加动力扰动。因此，覆岩结构破断及失稳是急倾斜特厚煤层水平分段开采过程中动载的主要来源。

图7 覆岩结构破断及失稳诱发动载模式Fig.7 Dynamic loads induced by failure and instability of overburden structures

2.3 动静载叠加诱冲机理

急倾斜特厚煤层水平分段开采动静载叠加诱冲机理如图8。

图8 急倾斜特厚煤层水平分段开采动静载叠加诱冲机理Fig.8 Mechanism model of rockbursts in horizontal section mining of a steeply inclined,extra-thick coal seam caused by the superposition of static and dynamic loads

由于急斜特厚煤层地质及开采条件的特殊性，采掘工作使得工作面煤体受到顶底板夹持的影响，导致工作面顶板侧煤体处于高应力集中区，而底板侧煤体处于塑性扩容区；在水平分段开采扰动下急倾斜煤层覆岩破断及失稳诱发矿震动载。当夹持煤体高静载荷σs与动载荷σd叠加超过煤岩体极限强度时，将引起急倾斜煤岩体沿塑性剪切破坏边界发生动力失稳，引起大规模的冲击动力灾害，综上，急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击地压发生符合动静载叠加诱冲机理[20]，即：

式中：σbmin为发生冲击灾害的临界载荷，Pa。

3 急倾斜特厚煤层开采防冲对策

3.1 降低动静载的控制措施

基于急倾斜煤层水平分段开采诱发冲击的动静载力源特征，建立了综合采用顶板深孔预裂爆破控动载、巷帮与底煤爆破或大直径钻孔卸静载的三位一体冲击地压防治技术体系，窑街三矿急倾斜煤层开采冲击地压防治技术流程如图9。

图9 窑街三矿急倾斜煤层开采冲击地压防治技术流程Fig.9 Flow chart of rockburst prevention in horizontal section mining of a steeply inclined,extra-thick coal seam of Yaojie No.3 coal mine

根据窑街三矿实际和局部区域冲击地压影响因素，研究形成了煤体加强卸压（煤帮深孔爆破卸压、大直径钻孔卸压，巷道底板帮角爆破卸压）的急倾斜分段开采冲击地压解危技术。急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击地压防治措施如图10～图13。

1）煤体卸压爆破。由于运输巷煤体处于应力集中区和潜在冲击危险区，需对该巷实施煤体卸压爆破，其布置如图10。超前工作面10 m起每隔5 m施工1个爆破钻孔（孔径42 mm），垂直巷道走向且仰角为3°～5°，孔深15 m，一直向外施工至超前工作面150 m。

图10 急倾斜特厚煤层水平分段开采防治冲击地压之煤体卸压爆破技术Fig.10 Coal pressure relief blasting technology for preventing rock burst in horizontal section mining of steeply inclined and extra-thick coal seam

2）底煤卸压爆破。对于具有潜在冲击危险的运输巷围岩体，需对该巷内帮向下帮角实施底煤卸压爆破，布置如图11。超前工作面10 m起每隔5 m施工1个底煤卸压爆破钻孔（孔径42 mm），垂直巷道走向且俯角为45°，孔深8 m，一直向外施工至超前工作面150 m。

图11 急倾斜特厚煤层水平分段开采防治冲击地压之底煤卸压爆破技术Fig.11 Bottom coal pressure relief blasting technology for preventing rock burst in horizontal section mining of steeply inclined and extra-thick coal seam

3）顶板深孔预裂爆破。根据5521-20工作面冲击显现特征，工作面机头至中部显现强烈，因此需要对靠近顶板侧的运输巷实施顶板深孔预裂爆破。钻孔深度以达到坚硬顶板及控制来压步距的岩层中上为宜。钻孔布置如图12。超前工作面150 m起每隔20 m布置1个爆破钻场并施工3个爆破钻孔（孔径75 mm），均垂直于巷道走向，距巷道底板1.2 m。T1～T3钻孔的仰角依次为45°、30°、20°，孔深依次为40、45、45 m，装药长度依次为15、20、20 m。

图12 急倾斜特厚煤层水平分段开采防治冲击地压之顶板深孔预裂爆破技术Fig.12 Roof deep hole presplitting blasting technology for preventing rock burst in horizontal section mining of steeply inclined and extra-thick coal seam

图13 急倾斜特厚煤层水平分段开采防治冲击地压之煤体大直径钻孔卸压技术Fig.13 Large diameter borehole pressure relief technology for preventing rock burst in horizontal section mining of steeply inclined and extra-thick coal seam

4）大直径钻孔卸压。五采区工作面切眼临近F15大断层，且煤质从顶板侧向底板侧逐渐变软，易形成应力集中，故需在切眼内帮一侧布置煤体大直径钻孔。此外，大直径钻孔还适用于煤体较为松软的巷道两帮、运输巷与顶板间距离大于10 m的区域。大直径钻孔布置如图13。超前工作面200 m起，每隔2.8 m布置1个大直径钻孔（孔径>100 mm），孔深15 m，距巷道底板1.2 m。

3.2 实施效果分析

自2016年7月起，通过制定和实施针对性冲击地压防治对策，窑街三矿五采区已安全回采受冲击地压影响的5521-20二系统工作面、5521-21工作面、5521-22工作面。在工作面（一系统）回采期间，比较不同工作面沿走向位置相同段内的微震活动分布情况，可以得出工作面的冲击地压治理效果。由于微震系统安装时5521-20工作面一系统已回采完毕，因此对比分析5521-21工作面一系统及5521-22工作面一系统回采时的微震活动分布情况，窑街三矿五采区微震频次和总能量统计结果如图14。

图14 窑街三矿五采区微震频次和总能量统计结果Fig.14 Statistical results of microseismic frequency and total microseismic energies in No.5 mining district of Yaojie No.3 coalmine

1）不同能级微震事件频次分析。统计5521-21工作面一系统和5521-22工作面一系统回采过程中的不同能级微震活动的频次变化，不同能级的频次变化直方图如图14（a）。与5521-21工作面一系统相比，5521-22工作面一系统回采过程中，能级为102～103、103～104J的较小能量微震事件频次有所增加，能级为104～105J的大能量微震事件频次明显降低，表明所采用的防治方案使采场围岩的弹性能更多的以小能量微震事件的形式释放，有效减少了大能量矿震发生的机率，从而降低了工作面冲击地压发生的可能性。

2）不同能级微震事件总能量分析。统计5521-21工作面一系统和5521-22工作面一系统回采过程中的不同能级微震活动的总能量变化，不同能级的总能量变化直方图如图14（b）。与5521-21工作面一系统相比，5521-22工作面一系统回采期间，能级为102～103、103～104J的较小能量微震事件释放的总能量有所增加。能级为104～105J的大能量微震事件释放的总能量明显降低，由5521-21工作面一系统时的2.71×106J减少至5521-22工作面一系统时的1.36×106J，表明所采用的防治方案较好改善了采场周围的应力环境和坚硬厚顶板的破断状况，取得了显著的防治效果。