采煤工作面过背斜构造带回采巷道冲击地压防治技术

曹 路

(汾西矿业 灵北煤矿，山西 灵石 031300)

随着煤炭开采深度增加，冲击地压矿井数量呈显著递增趋势，特别是在山东、河南等中东部煤岩开采区，冲击地压给煤炭安全开采带来较大威胁[1]。众多学者对冲击地压预测预警、发生机理以及防治技术等进行了研究，并取得了较为丰硕的研究成果[2]。构造型冲击地压是煤炭开采时常见的冲击地压形式，具体表现为构造应力远高于煤岩体自身重力[3-5]，其中王宏伟等[6]对断层诱发冲击地压机理进行研究，发现断层面上煤岩体位移量或者切应力突然增加是引起冲击地压的主要诱因；王书文等[7]认为背斜构造区域内采空区边缘岩体更容易铰接形成稳定结构，从而产生滞后型动载荷，采空区侧覆岩移动会给附近巷道产生显著的应力集中，从而诱发冲击地压问题。文中以某矿11303综采工作面回采为工程背景，该矿经过鉴定为冲击地压矿井，必须进行必要的冲击地压监测，而在11033工作面过B2背斜构造期间，回风巷出现明显的动力显现，需要针对性提出冲击地压防治措施，以便为采面安全回采创造良好条件。

1 工程概况

11303综采工作面为3采区第2个回采工作面，采面开采的11号煤层厚度平均2.59 m、倾角5°，采面设计走向、倾向长分别为2 690 m、315 m。11303综采工作面有3条回采巷道，采用两进一回通风方式。11303回风巷前期为11301工作面进风巷，通过沿空留巷技术保留下来为11303综采工作面生产服务，11303回风巷与邻近的11301工作面采空区间留设有宽度15 m的护巷煤柱。11303回风巷采用高强锚网索支护顶板及巷帮，底板未支护。

根据回采巷道掘进揭露地层情况以及前期物探资料显示，11303综采工作面开采范围地质条件较为简单，但是在工作面回采至1 205～1 423 m位置时会受到B2背斜构造影响，预计回采至1 423 m时会通过该背斜。采面在过背斜期间，11303工作面巷道出现不同程度的底鼓并伴随有锚杆索崩断失效、煤岩体弹射等动力显现，存在一定的冲击地压危险，因此需要进行针对性防治。

2 回采巷道掘进过B2背斜期间微震监测分析

微震是冲击地压征兆的重要评价指标[8]，微震频次、能量是开采因素、地质因素等综合作用的结果，具体发生过程中可能某一种或者两种因素起主导作用。为此，文中基于区域微震监测方法对11303综采工作面回采巷道掘进过B2背斜构造期间微震频次、能量进行监测，具体监测数据如图1所示。

图1 微震监测结果

1) 11303运输巷在揭露B2背斜前后微震发生频次基本未出现变化，11303回风巷相对11303运输巷地质条件、开采条件的最大差异是11303回风巷靠近11301采空区。由于11303运输巷、回风巷所处地质环境、开采条件存在差异，从而使得监测到的微震频次发生率相差1倍以上。分析得出11303回风巷微震事件频次、能量显著增加是采空区、背斜构造两种主导因素并结合其他辅助因素综合作用的结果，单一揭露背斜或者靠近采空区均不会使得微震频次大幅增加。

2) 11303回风巷微震频次、微震能量在B2背斜构造影响范围内较影响范围外分别增加2倍、1.5倍上；11303回风巷揭露背斜轴部后，微震频次较揭露前基本保持一致，但是微震能量却较揭露前增加约1.5倍。表明，在背斜构造内煤岩体在构造应力作用下积聚有大量弹性形变能，在采动动压影响下会以矿震或者微震等形式释放。

3) 通过对比11303回风巷揭露B2背斜翼部、轴部微震数据，发现背斜翼部微震频次较轴部增加2倍以上；从微震能量来看，翼部、背部基本保持一致。通过上述分析可得出，采面揭露B2背斜轴部时冲击地压危险性会较翼部明显增加。

3 冲击地压防治技术措施

11303回风巷靠近11301采空区，同时巷道顶板、两帮均采用锚网索支护，底板未采取支护措施，围岩支护状态为典型的“三强一弱”。同时11303回风巷在采空区侧向应力、超前支承压力、构造应力等综合作用下，煤岩体中的弹性能会以底板变形释放出来，严重时会出现煤岩体弹射现象。通过分析11303回风巷围岩支护状态、应力分布等，提出采用以“卸压”为核心的冲击地压防治措施，具体方法为：超前顶板水力压裂切顶(弱化)；煤体大孔径卸压钻孔；回风巷起底卸压。

3.1 顶板切顶卸压

当11303综采工作面回采推进至B2背斜构造影响区外200 m时，即在11303回风巷顶板上施工切顶卸压钻孔切断顶板应力传递路径，主要作用为：①弱化11303回风巷顶板坚硬岩层，从而降低采面超前支承压力、采空区侧向压力等对巷道影响；②通过在回风巷顶板上形成切缝，降低顶板岩层能量集聚，使得顶板随着采面推进可及时垮落，避免采空区顶板大面积悬空导致矿压显现明显。

切顶卸压采用水力压裂技术，具体在回风巷靠近采面侧实施高压水力割缝，起到弱化顶板作用，便于顶板及时垮落；在靠近煤柱侧实施定向水力压裂，从而形成切顶缝隙，切断采空区与回风巷顶板间应力传递路径，具体卸压钻孔现场布置情况如图2所示。

图2 卸压钻孔布置

钻孔1为定向水力压裂，钻孔布置倾角为60°；钻孔2为高压水力割缝钻孔，钻孔倾角为45°。现场施工的高压水力割缝、定向水力压裂等压力值均为30～60 MPa。

3.2 大孔径钻孔卸压

超前11303综采工作面300 m范围在B2背斜构造影响范围内向采面煤体内、煤柱上施工大孔径钻孔，以便降低围岩应力集中程度。通过在煤体上施工大孔径钻孔不仅可消除煤体中集聚的弹性能，而且可缓解采面开采引起的超前支承压力影响，从而降低冲击地压危险性；当围岩应力集中时可通过钻孔孔壁破裂、压实等释放部分冲击能量，从而降低冲击地压危险性。在11303回风巷分别向煤体帮、煤柱帮按照1 m间隔施工孔径113 mm钻孔，采面帮钻孔深度均为15 m、煤柱帮钻孔深度为10 m。采面背斜构造影响范围共计217 m，共计施工434个大孔径卸压钻孔。

3.3 巷道底板起底卸压

11303回风巷底板由于未支护，煤岩体弹性能很大一部分以底鼓形式释放，可通过起底方式释放煤岩体弹性能。具体回风巷底板起底分两次进行，一次起底高度为1.0 m，确保巷道高度在1.8 m以上，在卸压的同时满足行人、材料运输、回风等需要；二次起底高度在0.4 m以上，使得巷道净高度在2.2 m以上，满足巷道超前支护需要。

3.4 冲击地压防治效果分析

在11303综采工作面过B2背斜构造期间，综合使用水力卸压、大直径钻孔以及底板起底等方式卸压，有效降低了回风巷围岩应力集中程度，并释放部分煤岩体弹性能。现场应用后，11303回风巷顶板下沉量、底鼓量最大分别为28 mm、85 mm，同时未出现任何冲击地压征兆，为11303综采工作面安全回采创造了良好条件。

4 结 语

1) 随着采掘工作面不断推进，工作面的开采条件、地质条件会发生一定变化，采掘作业微震发生频次、能量等变化可综合反映开采因素、地质因素变化情况，在微震频次、能量变化过程中往往一种或者两种因素起主导作用。11303综采工作面开采范围的B2背斜构造煤岩体中集聚有大量的弹性能，其中11303回风巷在超前支承压力、采空区侧向压力以及煤岩体弹性能共同作用下容易出现冲击地压，特别是在B2背斜轴部位置冲击地压危险性更高，给巷道使用安全带来一定威胁。

2) 为了确保11303回风巷安全使用，在11303综采工作面过B2背斜期间，在回风巷使用以卸压为核心的冲击地压防治措施。具体措施为：巷道顶板切顶卸压以及顶板坚硬岩层弱化，工作面煤体以及煤柱大孔径钻孔卸压，巷道起底卸压等。现场应用后，回风巷围岩应力集中程度大幅降低，弹性能得以释放，采面在过B2背斜期间11303回风巷未再出现任何冲击地压征兆，同时巷道底板底鼓量在85 mm以内，取得了较好的冲击地压防治效果。