坚硬顶板工作面高静载型回采巷道冲击地压显现规律研究

＊杨博飞 孙宇俊 韦钊

（1.陕西能源职业技术学院 陕西 712000 2.陕西麟北煤业开发有限责任公司 陕西 721500）

冲击地压又称为岩爆灾害，是一种矿体或岩体平衡在内部高应力作用下受到破坏，形成突发性大能量释放引发爆炸振动的自然灾害类型之一。冲击地压灾害在煤矿生产过程中属于发生频率较高的灾害类型之一，因其造成的危害巨大已成为当前我国煤炭产业发展过程中高度重视的灾害类型之一[1]。以我国平顶山己16.17煤层回采巷道为例，对坚硬顶板工作面高静载型回采巷道冲击地压显现规律进行分析，认为对于该类型矿井而言厚硬砂岩层的存在容易导致回采巷道静载荷高度集中，在长时间的高频率作业环境下容易出现较为频繁的冲击地压现象，会严重影响煤矿的正常、安全作业。以此为依据，本文提出了一种针对坚硬顶板工作面高静载型回采巷道冲击地压灾害的卸压防治技术，为该地区煤矿灾害防治工作提供借鉴。

1.工程背景

(1)工程概况

平顶山己16.17回采巷道位于己二下延采区西翼，是平顶山煤矿主采工作面之一。工作面可采走向长度3770m，工作面长度118m，煤层倾角约15°，平均煤层厚度3.2m，留设3m煤柱。己16.17回采巷道上方赋存多组厚硬砂岩顶板，是一种较为典型的坚硬顶板工作面。表1为该综采工作面的综合柱状情况。

由表1数据可知，该综采面煤层上方存在大量砂质泥岩和砂岩，累计厚度超过630m。受到顶部坚硬顶板的影响，该工作面在回采期间，可能会因为厚硬砂岩与下部砂质泥岩层的相互剥离而出现离层，进而导致煤层上方的岩层出现大面积悬顶。当这种大面积悬顶引发的高静载荷超过内部储能极限值以后，综采巷道的内部便容易出现底鼓、煤柱帮鼓等现象。这些现象是煤层冲击地压显现的重要特征[2]。

表1 己16.17回采巷道综采柱状情况

(2)当前该矿井冲击地压风险预防举措

目前该矿坚定落实国家煤矿安全监察局颁发的《防治煤矿冲击地压细则》，在综采过程中坚持“管理、装备、培训”并重，坚持按照冲击倾向性检定→采取防范措施→冲击危险预测预报→实行解危措施→进行效果检查的流程对矿内综采冲击地压灾害进行预防。目前尚未出现因冲击地压形成灾害情况。但是随着该矿综采工作的进行及国家对冲击地压风险防控工作重视程度的提升，对该矿开展冲击地压规律总结并提出更为科学、合理的风险预防举措，成为该矿当前工作的重点。

2.坚硬顶板工作面高静载型回采巷道冲击地压显现规律

(1)一般冲击地压形成机制

一般的矿井巷道岩体在开挖之前通常都处于三维应力状态。这种较为稳定的三维应力状态会在矿井巷道所处区域的高应力位置形成大量的岩体—岩体、岩体—煤体间的弹性应变能。在矿井巷道中作业时，由于工程掘进的动作及工程机械等存在的振动，有时会导致这类高应力位置的三维应力平衡被打破，大量的弹性应变能在岩体薄弱位置突然、急剧释放，此时会导致岩体或煤矿矿体突然喷出，进而形成不同程度的冲击低压。

冲击低压通常可以分为一般冲击地压和严重冲击地压。地压规模的大小主要受到开采深度、水文条件、顶板岩层结构特征、煤岩物理学特征及开采技术条件等因素的影响。一般情况下如果矿井巷道所处位置的矿体弹性高、顶板岩石或底板岩石为坚硬岩体、矿体和围岩裂隙少、矿体所处位置含水量高，则该通常矿井容易发生冲击地压。

(2)己16.17回采巷道冲击地压显现特征

首先，己16.17回采巷道矿体所处位置含水量较低，可以基本忽略这两点因素对该回采巷道冲击地压风险的影响；其次，己16.17回采巷道顶板岩石及底板岩石多为砂质泥岩、细粒砂岩及中粒砂岩等，这些坚硬岩体的存在会增加综采面发生冲击地压的风险；再次，回采巷道矿体和围岩存在一定量的裂隙，会对该综采面形成冲击地压风险形成一定的影响；最后，己16.17回采巷道属于高静载型，煤柱与岩体之间的应力较高且高度集中，也会对冲击地压风险的形成产生一定的影响。

(3)己16.17回采巷道冲击地压显现规律

对己16.17回采巷道坚硬顶板工作面在高载荷作用下的实际工作情况进行计算，分别以煤柱应力、围岩应力、开采深度、煤层构造带特征等视角入手，对该煤矿己16.17煤层工作面的冲击地压显现规律进行总结。

①煤柱应力随推采进行先提升后缓慢下降至稳定

表2是己16.17煤层在推采前，推采60m、120m、180m等不同阶段时煤柱的垂直应力变化情况。

表2 煤柱应力随推采进行变化情况

随着推采距离的提升，煤柱的垂直应力逐渐由30.21MPa提升至45.20MPa，此时的推进距离已经达到了120m，表明随着推采进度及煤柱应力峰值逐渐提升，此时坚硬顶板工作面的冲击地压风险开始逐渐提升；随着推进距离提升至180m，煤柱垂直应力缓慢降低至44.58MPa并最终稳定在44.00MPa左右，表明当推采进度达到180m以后，该煤柱内部已经出现了高静载荷集中现象，此时该矿井巷道已经处于冲击地压显现的边缘。

②围岩应力应力集中区域呈现“L”型分布

对己16.17煤层工作面煤、岩部分力学参数进行收集和计算，得到表3所示的随工作面推采进行巷道围岩应力的变化与分布情况。

表3 围岩应力的变化与分布情况

随着推采进度提升，围岩应力逐渐由32.54MPa提升至37.75MPa，推采距离达到71m范围内时出现高应力集中现象并一直持续至推采距离达到180m处。可见，围岩应力的提升在达到一定程度以后煤层回采巷道便会开始出现应力集中现象，且出现的时间略快。

围岩应力提升至35.75MPa后，应力集中处位于工作面及临近回风巷一侧，应力集中区域呈现“L”型分布。根据刘永立等[3]相关研究，这种“L”型坚硬顶板高静载型回采巷道可以采用围岩应力向远场转移的泄压措施。这类泄压措施通常包括：开孔应力转移技术、掘进工作面前方应力转移技术、巷道一侧或两侧布置泄压巷技术等。

③开采深度值高，煤层工作面发生冲击地压风险较大

一般情况下我国的煤矿在首次发生冲击地压时的开采深度均集中在200m～600m范围内，深度越大则通常发生冲击地压的风险越高。而本文所述的平顶山己16.17煤层工作面开采深度为636.98m，已经超过了一般发生冲击地压风险的最高值，表明该矿己16.17煤层工作面发生冲击地压的风险较大。但该煤层的分布倾斜角度不大，煤层的深度整体较为平均，不存在随着开采深度加大而持续增加爆发冲击地压风险。

④煤层构造带不存在明显的断层、褶曲

一般来说，如果煤矿巷道所处的地区存在较大的断层、褶曲时，则其附近的巷道及工作面容易出现冲击地压。这是因为断层、褶曲这种不稳定的山体现象会加剧煤矿巷道中的地质活动，在频繁的地质活动影响下巷道容易爆发冲击地压风险。已知平顶山己16.17煤层工作面所处地区并不存在较为明显的断层、褶曲等，地质构造带中也没有明显的向背斜。因此，该地区煤矿巷道的冲击地压风险并不会受到煤层构造带特征的明显影响。

3.坚硬顶板工作面高静载型回采巷道冲击地压防治

(1)技术视角

①大直径钻孔卸压

大直径钻孔卸压是处理煤矿回采巷道高应力集中区域，降低该区域冲击地压风险的重要技术手段。然而，对于坚硬顶板工作面高静载型回采巷道而言，一般的127mm直径钻孔卸压效果并不明显[4]。本文所述的平顶山己16.17煤层工作面可以在提升一定钻孔直径或改变其他钻孔参数的基础上再尝试采用大直径钻孔卸压技术以实现冲击地压防治。表4所示是在改变钻孔长度、钻孔直径等参数的基础上，回风巷两测附近高应力集中的降低比例。

表4 大直径钻孔卸压效果

方案A与方案B相比，钻孔长度不变、孔径增大，煤柱侧与工作面侧的应力降比均是方案B更为优秀，表明单纯增加钻孔直径可以有效提升回风巷两帮附近的高应力降比；方案B与方案C相比，钻孔长度不变、孔径增大，煤柱侧与工作面侧的应力降比均是方案C更为明显，表明钻孔长度的提升也会显著提升方案的卸压效果。因此，本文认为在传统的127mm直径大直径钻孔卸压基础上，可以通过提升钻孔长度和孔径的方式增强冲击低压风险的抵御能力，满足坚硬顶板工作面高静载型回采巷道的实际需求。

②顶板爆破

平顶山己16.17煤层工作面上方岩层厚度为5.95m，根据徐军见[5]关于适用顶板爆破方式煤层结构与上访岩层厚度的分析可知，当煤层上方岩层厚度超过5m时，可以采用顶板爆破的方式对工作面进行卸压。不过，由于己16.17煤层工作面上方岩层结构复杂，因此除了采用顶板爆破卸压外，还需要通过坚硬顶板岩层高压注水、水利切割形成预裂面等形式降低顶板爆破的强度，在顶板提前预裂的基础上降低弹性势能应力的聚集程度。

(2)管理视角

首先，如前文分析可知，随着采矿进度提升煤柱应力和围岩应力基本均处于提升后逐渐趋于稳定的态势。因此，在实际的采矿作业时，管理人员需要时刻把控该煤层工作面的采矿进度。当采矿达到71m（围岩应力高应力集中）和180m（煤柱应力高应力集中）两个极限指标时，采用大直径钻孔卸压或顶板爆破技术对坚硬顶板工作面进行卸压，以降低该回采巷道的冲击地压风险。

其次，如果在坚硬顶板工作面高静载型回采巷道掘进过程中出现工作面断层破碎时，企业、矿井管理人员则必须通过超前支护举措对断层带进行提前处理，务必保证施工操作人员的安全。在布置工作面管棚的过程中，管理人员需要将管棚半径、间距严格控制在一定范围内，根据r≤31mm，l≤170mm的规格进行严格的长短交错式布局排列。在操作人员进行灌浆时，管理者需严格对工人灌浆量、压力等进行控制，使工作人员所处围岩环境的稳定性、强度得到保证。

最后，企业需要针对坚硬顶板工作面断层落差的情况进行合理的后退卧底支护，即由高静载型回采巷道内的掘进设备保持后退状态，以便卧底能够不断向前运动，从而在综采过程中增强坚硬顶板工作面的高度和稳定性，满足施工人员在复杂地质条件下进行作业的安全需求。此外，企业在施工过程中应尽量保证巷道顶板工作面的完整，增强综采工作安全性。

4.结语

坚硬顶板工作面高静载荷型回采巷道属于冲击地压风险的高发矿种。以平顶山己16.17煤层工作面为例，对该类型回采巷道的冲击地压显现规律进行总结，认为对于该类型煤层工作面而言，其采用的大直径钻孔卸压技术和顶板爆破技术较一般的煤层有一定的差异，工作人员需要根据煤层的实际条件进行适当的技术参数调整，以获得最佳的冲击地压风险降低效果。