崔木煤矿动静载联合作用下冲击地压防治技术

林　青，纵　峰，李　根，王　涛，秦子晗

(1.陕西永陇能源开发建设有限责任公司，陕西 宝鸡 721000；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



崔木煤矿动静载联合作用下冲击地压防治技术

林青1，纵峰1，李根1，王涛1，秦子晗2

(1.陕西永陇能源开发建设有限责任公司，陕西 宝鸡 721000；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

针对崔木煤矿21306工作面在掘进和回采期间频繁发生冲击显现的问题，通过数值模拟和微震监测，确定了崔木煤矿冲击地压发生的动静载主控因素，并提出了相对应的防治措施。研究结果表明：采掘工作面静载荷主要来源于侧向支承压力、超前支承压力和构造应力三者叠加，而坚硬厚层顶板的活动断裂为主要动载荷源，动静载荷联合作用时极易发生冲击地压。基于此，从降低煤体内的集中高应力和避免顶板悬顶两个方面着手，制定了大孔径钻孔卸压和顶板深孔预裂爆破相结合的防治方案，实施结果表明通过对两种载荷采取对应措施，有效降低了冲击危险，保障了21306工作面的安全回采。

动静载；冲击地压；顶板预裂；大孔径钻孔

1　工程概况

崔木煤矿位于陕西省麟游县境内，主采煤层为延安组3号煤层，当前工作面埋深超过600m。3号煤层平均厚度16.89m，倾角6°，煤层直接顶为粉砂岩、细中粒砂岩，平均厚度约10.3m，基本顶为粉粗砂岩和粉中砂岩，厚度3.7～22.6m，煤层上方存在多层坚硬厚层顶板，经鉴定顶板具有弱冲击倾向性。矿井采用综采放顶煤走向长壁后退式开采，顶板管理方法为全部垮落法。

崔木煤矿在掘进及回采巷道多次发生动力显现，巷道炸帮炸顶严重，顶底板多次出现瞬间变形，造成巷道内设备损坏，给矿井的正常生产及工人人身安全带来巨大威胁。因此，根据崔木煤矿自身条件，分析了崔木煤矿冲击地压发生特点及影响因素，并依此提出了相应的防治对策。

2　冲击地压发生特征

当前崔木煤矿冲击显现主要集中于21306工作面。21306工作面位于花园阳坡向斜东翼，东部紧靠21305工作面采空区，区段煤柱宽度为36m，西侧靠近井田煤层露头，南至中央3条主要大巷。工作面走向长度1517m，倾向长度150m。图1所示为21306工作面平面布置。

图1　21306工作面平面布置

21306工作面在掘进期间曾多次发生冲击动力显现，其中最严重的一次冲击发生在机巷，造成50m范围内机巷顶板整体离层下沉，下沉量约0.5m，该范围顶板锚杆全部失效，底板鼓起约0.6m，巷道破坏严重。通过对21306采掘期间多次冲击现象的统计分析，发现该工作面冲击地压的发生具有如下特点：

(1)发生地点位于迎头后方或工作面前方。

(2)表现特征煤炮声响、底鼓明显、顶板下沉、锚杆锚索崩断。

(3)周围环境发生位置大部分都位于向斜轴部附近和邻近采空区巷道。

3　冲击地压主控因素分析

根据冲击启动理论[1]，冲击地压启动的能量来源主要分为两类，即采动围岩近场系统内静载荷和远场系统外动载荷。结合崔木煤矿工作面现状，采掘期间，静载荷主要为构造应力场及采动应力场在采场围岩内形成的集中高应力；而动载荷则主要来自煤层上方厚硬岩层破断、滑移产生的冲击载荷[2-4]。

3.1静载荷影响分析

根据21306工作面周边情况，利用FLAC3D软件进行建模分析。由于工作面较长，因此该模型进行了简化，主要模拟了沿空巷道、泄水巷、外段风巷等区域的应力分布情况，如图2所示。

图2　工作面回采期间应力分布

从图2中可以看出，在工作面开采初期，位于21305采空区边缘的煤柱、机巷两帮以及邻近泄水巷区域均为高应力集中区域。随着工作面回采，21305采空区产生的侧向支承压力与21306工作面超前支承压力相互叠加，从而造成21306机巷区域的高应力集中，一旦超过煤岩极限强度，很容易导致冲击地压发生。

另外，根据图1可以看出，21306工作面风巷邻近花园阳坡向斜轴部，受构造应力影响明显，在回采过程中，超前支承压力与构造应力相互叠加，也增加了冲击地压发生的危险性。

3.2动载荷影响分析

根据21306工作面钻孔资料分析，在煤层上方30～40m的位置，均赋存有一层18m左右的细-粗粒砂岩，致密坚硬。随着开采面积的加大，采空区覆岩结构的形态和运动将对周边巷道矿压显现产生显著影响，一方面采空区顶板悬顶造成边缘煤体内支承压力的增加，另一方面顶板的垮断产生的动载将成为冲击地压的诱发因素[5]。

为了分析21306工作面动载荷分布特征，对采掘过程中的微震事件进行统计分析，如图3和图4所示，其中图3为21306机巷掘进期间微震分布情况，图4为21306工作面回采初期微震事件分布情况。

图3　掘进初期微震事件分布

图4　回采初期微震事件分布

从图3中可以看出，掘进期间，微震事件主要分布在沿空煤柱内及采空区内。表明由于21305工作面回采结束不久，顶板活动还未稳定，而在采空区顶板作用下，侧向煤柱承载较高的应力，并不断发生煤岩破裂活动。

从图4中看出，在21306工作面回采期间尤其是初次见方之后，大能量事件(100kJ以上)开始增加，并且主要分布在工作面及工作面超前区域，表明采动影响下，采场围岩开始出现大范围的破裂，顶板垮落高度向上发展，并波及上方坚硬顶板，造成顶板的垮断，从而释放瞬时动载，造成超前巷道内冲击频现。

3.3动静载联合影响分析

促成冲击地压启动的可以是静载荷，也可以是动载荷，但是从根本上讲，都是系统内静载荷超过了煤岩体的极限强度而发生冲击。动载荷如果参与，只是使静载荷增加，而不可能跳过静载荷直接在巷道空间释放动能[6-7]。

根据前述模拟及监测数据分析，21306工作面受向斜构造影响，巷道围岩中的原岩应力远高于其他区域。而邻近的21305工作面刚回采结束不久，采空区顶板对侧向煤体持续加载，临空宽煤柱静载荷水平逐渐升高，同时受本工作面采动应力影响，工作面围岩的集中静载荷来源于构造应力、侧向支承压力和超前支承压力，三者相互叠加，出现应力集中区。而随着21306采空范围增加，上方坚硬顶板岩层的突然垮断产生的集中动载以弹性波形式传递，当传递至高应力区时，造成煤体应力超过巷道围岩所能承受的临界水平，从而造成冲击地压。

4　工作面冲击地压防治措施

通过对崔木煤矿21306工作面动静载联合作用的分析，在进行冲击地压防治时，应从降低煤体内的集中高应力和避免顶板大面积悬顶两个方面着手，为此提出采用大孔径钻孔卸压和顶板深孔预裂爆破相结合的冲击地压防治手段。

4.1煤体高应力卸压技术

在21306工作面回采巷道两帮布置大孔径钻孔进行卸压，钻孔深度15m，封孔长度2.4m，钻孔高度1.2m，两帮间距均为1.6m。第一个钻孔距离工作面10m施工，依此循环，巷道两帮钻孔布置如图5所示。

图5　巷道帮部卸压钻孔示意

对于底煤超过2m的巷道区域施工底板大孔径卸压孔，在煤柱一侧的帮部底角处，按间距1.6m，垂直于煤帮斜向下60°施工，卸压孔深度施工至煤层底板，孔径133mm，布置如图6所示。

图6　巷道底板卸压钻孔示意

4.2顶板深孔预裂技术

若工作面上方存在坚硬难冒顶板，采用深孔预裂爆破进行处理，能够降低顶板垮断产生的冲击动载荷。同时，为避免21305采空区侧向悬顶影响，对机巷侧向顶板进行爆破处理。顶板施工爆破孔分别在工作面机巷与高位巷进行施工，爆破孔直径94mm，药卷直径75mm，本工作面爆破孔3个一组，侧向爆破孔1个一组，处理岩层高度40m，循环步距15m，组内孔间距2m。爆破孔布置及具体参数见图7和表1。

图7　顶板预裂爆破孔布置

位置序号深度/m倾角/(°)方位角/(°)装药长度/m封孔长度/m机巷A-149532702425A-263372703625A-379282705425C-15055112525高抽巷B-15153902625B-26540904025B-38231905725

4.3施工情况及效果

21306工作面回采过程中机、风巷两帮分别施工大孔径钻孔673个和1301个；巷道施工的侧向顶板预裂孔76个；本工作面顶板预裂孔140个。上述措施分别针对煤体内高应力和顶板悬顶情况进行了有效卸压解危，取得了良好的效果，至21306工作面回采结束，未发生人员伤亡和设备损坏的冲击地压事故，保证了工作面的安全回采。

5　结　论

通过数值模拟和现场监测，分析了崔木煤矿21306工作面动静载荷对冲击地压的影响，针对两种载荷源制定了防冲措施，通过实施保障了工作面的安全回采，主要结论如下：

(1)崔木煤矿21306工作面采掘期间频繁发生冲击动力现象的原因主要为构造应力、侧向支承压力和超前支承压力3种静载相互叠加，回采过程中上覆坚硬顶板的悬顶及垮断时加剧了高应力的集中程度，并起到诱发作用。

(2)从降低煤体内的集中高应力和降低顶板动载两个方面着手，21306工作面针对煤体内应力集中采取大孔径钻孔卸压，针对上方坚硬顶板采取了本工作面深孔预裂和侧向顶板预裂爆破，通过防冲措施的实施，采掘工作面未发生一起设备损坏或人员伤亡的冲击事故，有效保障了安全生产。

[1]潘俊锋，宁宇，毛德兵，等.煤矿开采冲击地压启动理论[J].岩石力学与工程学报，2012，31(3)：586-596.

[2]何江，窦林名，蔡武，等.薄煤层动静组合诱发冲击地压的机制[J].煤炭学报，2014，39(11)：2177-2182.

[3]秦子晗.沿空工作面冲击危险性动态权重评价方法研究[J].煤矿开采，2014，19(1)：87-90.

[4]王家臣，王兆会.高强度开采工作面顶板动载冲击效应分析[J].岩石力学与工程学报，2015，34(2)：3987-3997.

[5]王之永，李正杰，李根，等.崔木煤矿特厚煤层综放开采覆岩破断结构分析[J].煤矿开采，2016，21(1)：84-88，76.

[6]王书文，徐圣集，蓝航，等.地震CT技术在采煤工作面的应用研究[J].煤炭科学技术，2012，40(7)：24-27，84.

[7]朱春华，夏永学，冯美华.深部高应力冲击危险性厚煤层冲击地压防治技术[J].煤矿开采，2014，19(2)：104-106.

[责任编辑：李青]

Rock Burst Prevention Technology under Combined Action of Dynamic and Static Loading in Cuimu Coal Mine

LIN Qing1，ZONG Feng1，LI Gen1，WANG Tao1，QIN Zi-han2

(1.Shaanxi Yonglong Energy Development & Construction Co.，Ltd.，Baoji 721000，China；2.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

To the problem of more frequent rock burst during driving and mining of 21306 working face in Cuimu coal mine，based on numerical simulation and microseismic monitoring，the dynamic and static loading main factors of rock burst of Cuimu coal mine were determined，and the corresponding measures were put forward.The studying results showed that the main source of working face dynamic and static loading were side direction abutment pressure，advanced abutment pressure and tectonic stress overlay，the harden and thickness roof broken was the main dynamic loading source，rock burst appeared easily under combined action of dynamic and static loading.The combined prevention method that include large diameter hole pressure relief and deep hole presplitting and blasting in roof was put forward under two sides，which include decrease concentration high stress of coal and avoid hanging roof.The practical showed that rock burst risk decreased obviously according corresponding measures of two different loading，and mining safety of 21306 working face was guaranteed.

dynamic and static loading；rock burst；roof presplitting；large diameter hole

2016-06-03

国家自然科学基金资助项目(51574149)；天地科技股份有限公司开采设计事业部科技创新基金资助项目(KJ-2015-TDKC-11)

林青(1970-)，男，安徽滁州人，高级工程师，现任崔木煤矿矿长，主要从事煤矿管理工作。

TD324.2

A

1006-6225(2016)05-0086-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.024

[引用格式]林青，纵峰，李根，等.崔木煤矿动静载联合作用下冲击地压防治技术[J].煤矿开采，2016，21(5)：86-88，110.