综放工作面冲击危险性评价及防治措施
2022-10-09钱红亮赵晓凡
钱红亮，赵晓凡
(1.河南大有能源股份有限公司 耿村煤矿，河南 三门峡 472400； 2.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000)
综放开采作为一种高效采煤方法在我国已得到广泛应用。近年来，随着煤矿开采强度的增加，浅部煤炭资源逐渐枯竭，开采水平不断向深部延伸，尤其是在我国中东部地区，部分煤矿开采深部已达到800～1 000 m.深部开采受“三高一扰动”影响，冲击地压事故频发，严重威胁煤矿安全生产。姜福兴等[1]提出一种考虑自重应力叠加的回采工作面冲击危险性评价方法，该方法实现了对回采工作面冲击危险评价的量化。潘俊锋等[2]针对目前冲击危险性评价方法的不足，研究了工作面推进度及其变化梯度对高能矿震的影响，提出煤层卸压爆破等防冲解危措施。翟明华等[3]研究了深部回采侧向支承压力分布规律，并对临近工作面进行冲击危险性评价。杨光宇等[4]分析了深部开采特厚煤层巷道冲击特征，并基于冲击启动理论，通过建立力学模型对工作面进行多元指数法冲击危险性评价。针对冲击地压机理防治技术的研究学者们也进行了大量研究[5-12]。齐庆新等[13]研究了断层及巨厚砾岩层耦合条件下冲击地压发生机理，提出“弱链增耗”防冲技术。潘一山等[14]通过建立冲击地压巷道力学模型，分析了冲击能量对巷道影响全过程，提出三级吸能支护体系。窦林名等[15]通过建立煤岩冲击力学模型，提出动静载叠加诱发冲击地压原理，提出了综合监测预警技术。
耿村井田煤层上覆均厚300 m巨厚砾岩层。由于巨厚砾岩层整体性好，随着煤层回采，巨厚砾岩层会形成大面积悬顶，受采动应力及F16逆冲断层的推覆影响，巨厚砾岩层一旦垮落其产生的震动波与回采应力叠加，可能在回采工作面前方煤体及回采巷道中产生大能量矿震，诱发冲击地压。因此，进行耿村煤矿13200综放面的冲击危险性评价，并提出防治措施对煤矿安全生产具有重要意义。
1 矿井及工作面概况
义煤集团耿村煤矿13200综放面位于13采区延深轨道下山西翼，北部为已开采的13180综放工作面采空区，西部与南部均为未开采的2-3煤实体。工作面可采走向长719 m，倾斜长249 m。13200工作面顶板为侏罗系顶板，直接顶为灰黑色、黑色泥岩，厚度25.0 m，具隐蔽水平层理。煤层直接底为泥岩，厚度为2.8 m，老底为泥岩砂岩交替层，厚度35.0 m以上。
2 综放面冲击危险性评价
综合指数法是评价工作面冲击危险性的常用方法，主要是在已发生冲击地压灾害的基础上，通过分析地质条件及采矿因素对工作面冲击地压的影响，确定各因素影响所占权重，以综合指数来判定工作面冲击地压发生等级。综合指数法分类指数见表1.
表1 综合指数法分类指数
2.1 地质因素对综放面冲击危险的影响
影响冲击地压的主要因素有地质因素和开采技术因素[1-2]。地质因素主要包括开采深度、顶板坚硬岩层、构造应力集中、煤层冲击倾向性等，结合13200综放面地质条件，通过计算和对比分析，确定地质条件影响冲击地压危险状态的因素及指数，如表2所示。用公式(1)计算地质因素对冲击地压危险状态的影响程度，并确定冲击地压危险等级评定的指数Wt1，计算得出Wt1=0.57.
表2 地质条件影响工作面冲击地压危险状态的因素及指数
(1)
式中：Wt1为根据采矿地质因素确定的冲击地压危险指数；Wimax为第i个地质因素中的最大指数值，最大值均为3；Wi为采掘工作面周围第i个地质因素的实际指数；n1为地质因素的数目。
2.2 开采技术因素对综放面冲击危险的影响
影响冲击地压的开采技术因素主要包括开采技术条件、开采历史，煤柱、停采线位置等[3-4]，结合13200综放面开采技术条件，确定开采技术因素对冲地压的影响程度及相应指数，如表3所示。用公式(2)确定开采技术因素对冲击地压危险状态的影响程度以及确定冲击地压危险等级评定的指数Wt2，计算得出Wt2=0.62.
表3 开采技术条件影响工作面冲击地压危险状态的因素及指数
(2)
式中：Wt2为根据开采技术影响因素确定的冲击地压危险指数；Wimax为第i个开采技术影响因素中的最大指数值，最大值均为3；Wi为采掘工作面周围第i个开采技术影响因素的实际指数；n2为开采技术影响因素的数目。
依据Wt=max{Wt1,Wt2}可以得出13200工作面回采期间冲击地压危险状态等级评定的综合指数为：
Wt=max{0.57,0.62}=0.62∈(0.5,0.75)
(3)
根据公式(3)所得出的13200工作面回采期间冲击地压危险状态等级评定的综合指数，并对照表1，可以确定采用综合指数法确定13200工作面回采期间具有中等冲击危险性。
3 工作面冲击地压防治
13200综放面在回采过程中主要以大直径卸压钻孔、煤层注水软化、断底卸压等常规治理措施为主，卸压爆破等特殊卸压措施为辅的联合卸压手段[5-6]。
1) 卸压钻孔。13200工作面回采期间，在工作面超前300 m回风平巷下帮，运输平巷上下帮施工超前卸压钻孔进行卸压。钻孔直径≥120 mm，钻孔开口位置距巷道底板0.5～1.5 m.通过在巷道两帮实施一系列间距合理的大直径钻孔以后，每个钻孔周围会形成一定的破碎区，当破碎区相互贯连后，在巷道周边形成弱化带，促使巷道支承压力向深部围岩转移，从而使巷道处于低应力区。工作面内不同的冲击危险区卸压钻孔布置要求不同，具体参数如表4所示。
表4 卸压钻孔参数
2) 煤层注水。煤层冲击倾向性与煤层含水率有关，煤层注水可以降低或消除煤层冲击倾向性。冲击地压煤层回采前，实施煤层预注水，降低煤体强度，消除或弱化煤层冲击倾向性和冲击能力。煤层注水作为冲击地压的常规治理措施在回采平巷内实施。13230综放工作面回采过程中在超前工作面150 m区间内，对回风平巷下帮、运输平巷两帮，由里向外单孔实施动或静压注水。回采平巷煤层注水钻孔布置如图1和图2所示。注水钻孔孔径75 mm，孔深40 m，孔间距15～20 m；孔口位置布置在巷道煤体完整处，一般位于巷高1/3～1/2位置处，钻孔垂直巷帮沿煤层倾斜方向布置。运输平巷上帮钻孔倾角10～13°，运输平巷及回风平巷的下帮钻孔倾角均为1～3°.
图1 回风平巷煤层注水孔剖面图
图2 运输平巷煤层注水孔断面图
3) 断底爆破。对于一般冲击危险区的煤层，经煤层钻孔卸压后，能够实现煤层的安全开采。对于强冲击危险区，经煤层钻孔卸压后，经钻屑法效果检验后卸压效果不理想时，可以采用特殊卸压措施——煤层卸压爆破防治方法对煤体进一步卸压。
13200综放面对回采巷道留有底煤的均采取断底卸压措施：①当巷道底煤(含煤矸互层)厚度d≤1.5 m时，在巷道两帮脚实施底板卸压孔，方位垂直巷帮，倾角向下45°±5°钻孔，孔径D≥120 mm，孔间距(1±0.2)m，终孔接触底板岩层为止，钻孔不进行爆破，只进行注水软化。②当巷道底煤(含煤矸互层)厚度1.5 m
4) 深孔爆破。在高应力区或应力异常区(一般在工作面上下巷超前60～150 m范围内)，定期进行深孔爆破诱导卸压。孔深大于15 m，孔间距5 m.为控制爆破当量，每次最多允爆4个孔。
4 冲击地压防治效果分析
4.1 综放面超前支承压力分析
基于关键层理论，建立如图3所示的超前支承压力计算模型，并结合13200综放面生产技术参数，依据文献[16]计算工作面回采期间超前支承压力，绘制如图4所示的超前支承压力分布曲线。13200综放工作面超前支承压力峰值位置距切眼约43.13 m，支承压力峰值约为29.45 MPa.按照超前支承压力分布特征，沿工作面走向方向进行分区如表5所示。
表5 超前支承压力影响范围及分区
图3 超前支承压力计算模型
图4 超前支承压力分布曲线
4.2 微震监测结果分析
为分析工作面采取防冲措施后的防治效果，对2021-05-21至2021-06-04微震事件进行统计分析，绘制如图5所示的微震事件分布图。并对微震事件分布进行统计，如表6所示。
表6 2021-05-21至2021-06-04微震事件分布统计
图5 2021-05-21至2021-06-04微震事件分布图
2021-05-21至2021-06-04，13200综放面共发生3次方及以上(E≥1.0×103J)微震事件65起，其中3次方能量的微震事件(1.0×103J≤E<1.0×104J)54起，占83.1%；4次方能量的微震事件(1.0×104J≤E<1.0×105J)10起，占15.4%；6次方能量的微震事件(1.0×106J≤E<1.0×107J)1起，占1.5%.监测到的微震事件中最大能量为2.1×106J，震源位于采空区内，且未导致回采巷道应力和工作面内矿压明显变化。微震监测结果表明，在工作面内采取卸压措施后，防治效果明显。沿工作面走向方向来看，受超前支承压力影响，微震事件主要分布于峰值应力影响区和高应力影响区内。
5 结 语
1) 基于综合指数法对耿村煤矿13200综放面的冲击危险指数进行分析，得出13200综放面地质因素和开采技术因素对冲击地压危险的影响指数分别为0.57、0.62，综合判断冲击危险性综合指数为0.62，13200综放面冲击地压类型属于中等冲击等级。
2) 提出以大直径卸压钻孔、煤层注水软化、断底卸压等常规治理措施为主，卸压爆破等特殊卸压措施为辅的联合卸压手段，并给出了相应技术参数。
3) 建立超前支承压力计算力学模型，分析了综放面前方超前支承压力分布规律，并结合微震监测，分析了冲击地压防治效果。结果表明，综放面在采取联合卸压手段后，冲击地压防治效果显著。
