特厚煤层上覆煤岩柱下措施巷防冲技术研究

赫海全，孙振于，何 江，陈同盛，柴彦江

(1.窑街煤电集团有限公司 海石湾煤矿，甘肃 兰州 730084；2.徐州弘毅科技发展有限公司，江苏 徐州 221000；3.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；4.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；5.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

研究表明，冲击地压煤层开采前应优先开采保护层[1-3]，但实际采掘过程中，受到地质构造、层厚变化、采掘布局等因素的影响，保护层中常常遗留有煤柱[4]，遗留煤柱区的应力较高[5，6]，下部煤层采掘时，易诱发冲击地压，如峻德煤矿“3·15”和长城一矿“10·7”冲击地压事故等[7]。众多学者和技术人员对保护层遗留煤柱诱发冲击地压的问题进行了大量研究[8，9]。在防治方面，孙刘伟等[10]、刘鹏飞[11]、刘永红等[12]、田臣等[13]采用爆破卸压、顶板爆破预裂、水力压裂、巷道补强支护的综合防治措施，有效避免了遗留煤柱区冲击地压的发生，保证了工作面的安全开采。

本文基于海石湾煤矿6224-1工作面地质和开采技术条件，在遗留岩柱影响区外布置专用措施巷，并从巷道内向岩柱影响区的煤岩体实施顶板深孔爆破、煤体爆破和大直径钻孔的方式，能够有效的降低煤体中的静载应力水平和顶板运动烈度，以期为条件类似工作面的冲击地压防治提供参考。

1 工程概况

海石湾煤矿为冲击地压和煤与CO2突出矿井。6224-1工作面位于海石湾煤矿二采区，工作面走向长度337m，倾向宽度185.5m，开采深度740～890m。工作面开采煤二层，煤层厚度约41.5m，倾角约7°，采用倾斜分层、走向长壁后退式综采放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。6224-1工作面开采首分层，分层厚度15～36m，其中机采高度4m。工作面东、西、北侧为实体煤，南侧为6223-1和6223-2采空区。为防治临空巷道冲击地压，6224-1运输巷布置在6223-2采空区下，内错采空区12m，顶煤厚度约8m，如图1所示；为防治瓦斯和冲击地压，矿井开采油页岩层作为煤二层的保护层，6224-1工作面上方为6213和6214油页岩采空区，两采空区之间留有40.5m岩柱，岩柱距6224-1运输巷29.8m。煤二层与油页岩层相距约35m。6224-1工作面煤层伪顶为炭质泥岩，厚度为1.5m，老顶为灰黑、深灰色细砂岩和粉细砂岩互层，普氏硬度f=6～8；直接底板为灰黑色炭质泥岩，厚度为3.96m，老底为灰白色含砾细砂岩。6224-1工作面范围的钻孔柱状如图2所示。煤二层具有弱冲击倾向性(动态破坏时间为400ms、弹性能指数为2.12、冲击能指数为4.55、单轴抗压强度为8.05MPa)，顶板具有强冲击倾向性(弯曲能量指数为203kJ)，底板具有弱冲击倾向性(弯曲能量指数为72.1kJ)；6224-1工作面经冲击危险性评价具有中等冲击危险性(综合指数为0.57)。

图1 6224-1工作面倾向剖面

图2 钻孔柱状图(部分)

2 专用措施巷防冲实践

2.1 上覆遗留岩柱对工作面回采的影响

根据研究，冲击地压的发生需满足一定的力学条件，当煤岩体中静载应力与矿震形成的动载应力之和大于煤岩体冲击破坏的临界应力，可诱发冲击地压灾害[14]，即：

σs+σd≥σb，min

式中，σb，min为发生冲击地压时的最小应力，MPa；σs为静载应力，MPa；σd为动载应力，MPa。

在冲击地压方面，保护层遗留岩柱对6224-1工作面回采的影响也主要体现在静载和动载两方面。两侧采空的孤岛煤柱应力集中程度较高，而其根源在于其上覆顶板可能会形成特殊的“T”型顶板空间结构[15，16]，如图3所示。在“T”型顶板空间结构下，6224-1工作面回采期间会受到两方面的影响。静载方面，由于岩柱两侧采空区顶板下沉不充分，会形成大面积悬顶，所以岩柱不仅受到本身自重应力的影响，受两侧采空区的侧向支承应力影响更大，而且埋深越大应力越高；在岩柱相对较窄的情况下，岩柱中间应力最高，向两侧逐渐降低；应力会向下传递，形成应力影响区域[17]；在此影响范围内，不但煤岩体内的静载应力较高，工作面来压也相较于普通工作面剧烈。动载方面，因为岩柱的存在，所以岩柱及两侧采空区的顶板下沉并不充分，导致岩柱两侧的6213和6214油页岩工作面回采时上覆三带的发育相对孤立，更高范围内的关键层并未断裂；当下部的6224-1工作面回采时，不仅会受到本工作面上方顶板垮落产生的动载影响，而且会受到岩柱顶板垮落及两侧采空区悬顶垮落的影响；同时因为6224-1工作面的回采，使得6213和6214油页岩工作面上覆三带发育勾连，导致三工作面顶板协同运动、相互影响，造成更高层位的关键层破断，覆岩运动较为剧烈。

图3 遗留岩柱“T”型覆岩结构

2.2 防治方案优化

根据研究，当煤岩体内的静载水平较低时，诱发冲击所需的动载较大；当煤岩体内的静载水平较高时，较小的动载即可诱发冲击[18]。所以，6224-1工作面上覆遗留岩柱区的冲击地压防治可从两方面出发，一方面是降低岩柱影响区煤岩体的静载水平，另一方面是降低工作面回采时产生动载的强度和频度。一般对于工作面周边煤岩体动静载的控制，便于操作和比较有效的方法主要有顶板深孔爆破、煤层大直径钻孔、煤体爆破等(限于篇幅，以下仅斜述解决遗留岩柱问题的措施)。

2.2.1 防治方案对比分析

6224-1工作面运输巷布置在6223-2采空区下，内错采空区12m左右。若从工作面运输巷沿倾向向岩柱影响区实施顶板深孔爆破和煤体爆破，会打穿采空区；若从工作面内沿走向岩柱影响区施工顶板深孔爆破、煤体爆破孔和大直径钻孔，随工作面推采循环施工，则会占用大量工作面正常生产的时间，严重影响生产，使矿井难以达到核定产能；若从工作面运输巷沿倾向向岩柱影响区煤体施工大直径钻孔，从工作面沿走向向岩柱影响区施工煤体爆破，从工作面回风巷沿倾向向岩柱影响区施工顶板深孔爆破，则施工难度较大，尤其是从工作面回风巷向岩柱影响区施工顶板深孔爆破，根据计算孔深可达143m，而且倾角较小，钻孔塌孔和装药均为巨大的难题，难以解决。为解决上述问题，可以在保护层卸压范围内，岩柱影响区外沿工作面走向布置专用措施巷，在专用措施巷内向岩柱影响区施工顶板深孔爆破和煤体爆破，从工作面运输巷和专用措施巷内向岩柱影响区煤体施工大直径钻孔，这样不但能减少方案施工占用时间和降低施工难度，而且能确保安全与产能。

2.2.2 专用措施巷合理位置分析

专用措施巷需布置在岩柱影响区外，文献[19] 提供了两种确定保护层遗留岩柱影响范围的方法：①根据被保护区域的监测数据实测确定；②根据相关参数和现场数据计算确定。对于6224-1工作面上覆遗留岩柱的影响范围可同时采用两种方法确定，并取其中结果较大的。

专用措施巷平面位置如图4所示。6224-1联络巷由6224-1运输巷侧开口掘进，巷道掘进过程中每日在巷道迎头和两帮施工钻屑监测孔，钻孔深度为10m；选择巷道靠切眼帮的钻屑监测孔出屑量进行分析，共有19组数据，各钻屑监测孔平均每米钻屑量如图5所示。从图5可以看出，6224-1联络巷距6224-1运输巷23.5～87m段巷道帮部钻屑监测孔平均每米钻屑量明显大于其他区域，由此可大概确定岩柱影响范围。

图4 专用措施巷平面位置

图5 联络巷靠切眼帮钻屑监测孔平均每米钻屑量

根据文献[19]中附录B中相关方法和参数结合工作面相关数据，计算出岩柱影响范围为距6224-1运输巷21.5～94m。为安全考虑，取距6224-1运输巷21.5～94m为岩柱影响范围，影响范围如图4所示。综上，平面上可将专用措施巷布置在距工作面运输巷约100m的位置；同时为便于工作面回采期间对专用措施巷的处理，垂面上，将专用措施巷布置在工作面机采的层位。

2.2.3 卸压措施参数

从工作面运输巷和专用措施巷施工的大直径钻孔孔径为113mm、间距为0.7m、布置方式为上下两排的三花布置，下排开孔位置距底板0.8m，上排开孔位置距底板1.3m，布置在下排两钻孔中间，其余参数见表1；煤体爆破和顶板深孔爆破孔径为75mm、每孔装药长度为20m，3.6kg/m，总装药量72kg、封孔长度不小于孔深的1/3、每15m施工一组、每组6个孔，为避免残爆现象，采用煤矿许用导爆索引爆，其余参数见表2。各卸压措施布置如图6所示。

表1 大直径钻孔参数表

表2 专用措施巷爆破孔参数表

图6 专用措施巷卸压措施倾向剖面

3 实践效果

6224-1工作面于2020年9月5日正式回采，工作面回采前已全部施工第2.2.3节所述措施，并已封闭专用措施巷。截止2021年2月2日(历时153天，占全年时间的41.92%)，工作面已安全回采164.1m，平均日进尺1.07m，回采煤量80.6万t，完成核定产能的44.78%(核定产能180万t/a)，期间未发生过冲击地压现象；而且由于煤体爆破孔的施工，提高了顶煤回收率，根据统计和计算，顶煤回收率由上一分层工作面的88.7%提升至本工作面的95.3%，截止2021年2月2日，已多采煤量5.6万t，提高经济效益约5000万元。下面从工作面回采期间的静载监测(液压支架阻力监测)和动载监测(微震监测)两方面检验实践效果。

6224-1工作面共安装123副液压支架，设计初撑力不低于24MPa，其中第15架—第65架位于岩柱影响区内，第40架位于岩柱影响区中部，所以选取第40架和第100架监测数据进行对比。为避免工作面回采初期设备调试对监测的影响，所以选取2020年11月—2021年1月的数据；为便于对比，选取每日应力最大值，每隔两天提取一组数据，共有31组数据，液压支架工作阻力对比如图7所示。由图7可知，其中16组数据第40架应力高于第100架，第40架和第100架应力平均值分别为31.07MPa、29.59MPa，两液压支架应力值相近，并没有明显的差别，说明经过卸压后岩柱影响区和未受岩柱影响的区域静载应力相近，卸压效果较好。

图7 液压支架工作阻力对比

同样选取2020年11月—2021年1月工作面周边50m范围内的微震监测数据，矿震统计结果见表3，矿震分布如图8所示；为便于观察，矿震分布图中只显示能量103J以上的矿震。由表3可以看出，6224-1工作面回采期间以103J能量以下的矿震为主，103J以上能量级别的矿震仅占7.79%，无105J能量以上的矿震，整体矿震能量等级较低；由图8可知，矿震主要集中在工作面中下部，没有明显集中在岩柱区域的现象。

表3 矿震统计结果

图8 2020.11—2021.1矿震分布

在岩柱影响区外保护层保护范围内沿走向布置专用措施巷，在专用措施巷内向岩柱影响区施工卸压措施，对海石湾煤矿6224-1工作面上覆遗留岩柱区冲击地压的防治效果较好。

4 结 论

1)从动静载方面分析了6224-1工作面上覆遗留岩柱对工作面回采的影响，得出岩柱影响区静载较高的原因是岩柱上方顶板会形成特殊的“T”型空间结构；动载较高的原因是工作面回采时不仅会受到本工作面、岩柱和两侧采空区悬露顶板垮落产生的动载影响，还会受到区域岩层协同运动以及更高层位关键层破断产生的动载影响。

2)根据6224-1工作面的结构特征和上覆岩柱处理的难题，设计在岩柱影响区外保护层下沿走向布置专用措施巷，在专用措施巷内向岩柱影响区施工卸压措施。经实践验证，该方法对6224-1工作面上覆遗留岩柱区冲击地压的防治效果较好、顶煤回收率高，可为条件类似工作面的冲击地压防治提供参考。