内蒙古呼吉尔特矿区新建矿井冲击地压治理模式探索

翁明月，王书文

(1.中天合创能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017020；2. 煤炭科学研究总院 开采研究分院,北京 100013；3. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

呼吉尔特矿区划属鄂尔多斯市乌审旗呼吉尔特乡和图克镇等管辖，深部煤炭资源丰富。自“十一五”以来，煤炭资源开发力度逐步加大，已建成6座特大型现代化矿井，为当地经济发展起到重要推动作用。在矿区建设及生产过程中，出现了早期未预料的冲击地压灾害，并逐步成为区域性技术难题，对各矿井建设及生产造成不同程度的影响。呼吉尔特矿区煤炭资源赋存条件、矿井建设规模、技术水平、管理模式具有其特殊性，该条件下冲击地压灾害科学治理模式亟需探索，从而为后期大规模投产、达产奠定基础。针对呼吉尔特矿区特殊条件，对冲击地压治理模式进行探索，并以葫芦素煤矿为例进行说明，以期为呼吉尔特矿区的安全高效开发提供借鉴。

1 呼吉尔特矿区基本情况

呼吉尔特矿区划分为7个井田、2个勘查区和1个远景区，建设规模60Mt/a。矿区含可采煤层8层，煤层厚度0.8～7.1m，煤系地层厚度平均为280m，煤种为不粘煤和长焰煤。煤炭平均发热量在7000大卡左右，属低灰分、低硫、特低磷、高发热量的优质动力煤。呼吉尔特矿区主采煤层埋深较大，一般为600～800m，矿井普遍赋存2～4个可采煤层，多为近水平中厚煤层，适用于综合机械化开采。矿区内各矿井均为瓦斯矿井，煤层自然发火周期一般为30～70d。多数矿井的回采工作面设计借鉴了神东设计模式，双巷掘进，外侧巷道继续为下一工作面服务，巷间煤柱普遍为30～40m。

2 呼吉尔特矿区冲击地压灾害情况

“十一五”期间，呼吉尔特矿区各大型矿井陆续建设，在开拓、准备及初采阶段，采掘巷道并未出现明显的动力现象。但随着采掘范围的不断扩大，覆岩活动范围更大，活动强度更高，临空采掘工作面动力显现问题日益突出。据不完全统计，呼吉尔特矿区各深部矿井均出现过不同程度的冲击地压，严重的可造成数百米巷道严重损坏。具体显现规律如下：

(1)以回采工作面超前巷道冲击地压为主，部分综采工作面邻近采空区侧可发生煤壁冲击，多巷布置工作面的临空留巷可发生滞后冲击。3类冲击地压发生地如图1所示。

图1 呼吉尔特矿区3类冲击地压主要发生地点

(2)冲击显现以底鼓、帮鼔为主，存在顶煤的巷道冲击可引起局部冒顶，底板即使不留底煤，岩石底板也可能强烈破坏，如图2所示。

图2 呼吉尔特矿区冲击地压显现

(3)多数冲击地压发生在宽煤柱护巷的临空巷道内，煤柱帮压力大。

(4)不同煤层冲击危险程度差异较大，如3-1煤层坚硬，具有强冲击倾向性，顶板厚硬程度高，冲击地压灾害普遍严重。

(5)大巷开拓期间及首采工作面回采期间，动力现象并不明显，临空工作面回采后，冲击地压问题较为突出。

3 冲击地压灾害治理模式探索

3.1 因地制宜开展冲击地压超前防范

区域性超前防范对于冲击地压治理具有重要意义，科学的开采设计可对冲击地压静载荷源实现宏观调控，避免大规模应力集中，最大限度地延后冲击地压发生时间，大幅度降低后期采掘过程中的冲击危险程度和防治难度[1]。实践证明，新出现的冲击地压矿井多是由于开采初期无冲击地压防范意识，进行开采设计时人为造成大量有利于冲击地压发生的条件，最终积重难返，灾害日益突出。呼吉尔特矿区各矿井应基于冲击地压防范原则，审视现有开采设计，优化采掘布局，从源头上规避冲击地压的发生条件。

3.1.1 积极利用保护层开采

保护层开采是典型的冲击地压区域型防范手段[2-3]。鉴于呼吉尔特矿区各矿井普遍赋存2～4个煤层，煤层间距多为20～60m，是开采保护层的先天有利条件。可首先开采冲击倾向性和冲击危险性较低、顶板厚硬程度小的煤层，从而对其上、下一定范围的煤层形成应力解放，降低应力水平，缓解冲击灾害风险。鉴于3-1煤层冲击倾向性较强，应将其作为被保护层，即先开采其上部或下部的低冲击地压风险煤层。对于目前已经投产的矿井，可针对未采区域进行重新规划、设计，以实现卸压开采。

3.1.2 推行小煤柱护巷

为实现快速掘进，呼吉尔特矿区各矿井多采用双巷掘进，巷间煤柱宽度30～40m，工作面回采后，临空巷道处于采空区侧向支承压力影响范围内，集中静载荷水平较高，为冲击地压的发生提供了基础载荷源。目前，6m宽小煤柱护巷技术在石拉乌素等矿已经开始应用，葫芦素煤矿、门克庆煤矿也在积极探索之中。鉴于呼吉尔特矿区多数矿井水文地质类型为复杂型，小煤柱护巷要确保其防水性能。

3.1.3 积极开拓，多盘区跳采

呼吉尔特矿区矿井设计生产能力巨大，由于煤层多为中厚水平，在面临冲击地压灾害的大背景下，不允许推采过快。因此，往往需要2～3个回采工作面同采才能够达产。为避免采掘相互扰动诱发冲击地压风险，应严格执行一区一面，同时待采空区彻底稳定后再进行下一工作面巷道掘进。这要求在进行开拓设计时，应积极扩大开拓范围，为多盘区跳采创造条件。

3.2 开展区域性微震监测综合分析

依据冲击地压启动理论，需对诱发冲击启动动静载荷源分源监测，分源防治[4]。动载荷监测手段主要包括微震监测、地音监测等，静载荷监测以采动应力监测为主。目前，呼吉尔特矿区内葫芦素煤矿、门克庆煤矿、巴彦高勒等矿井均引进了波兰ARAMIS微震监测系统，用于监测全矿井范围微震活动。

3.2.1 基于误差分析的微震台网布置优化

微震台网布置对微震监测范围、微震事件定位精度具有重要影响[5]。在综合考虑有效台站数、最大空隙角、近台震中距以及微震监测台网灵敏度和拾震器灵敏度的基础上，葫芦素煤矿积极利用多巷布置条件，设计了多种微震监测台网，并利用D值最优化算法计算了各个方案的平面定位误差和垂直定位误差，最终确定了最优微震台网布置方案，如图3所示。该方案能够实现对葫芦素矿井范围内所有采掘活动区域的监测，同时对21102和21103等潜在冲击地压回采工作面进行了重点覆盖，其水平定位误差约为±5m，垂直定位误差为±15m。

3.2.2 基于微震活动监测的推采速度调节

呼吉尔特矿区内煤矿产能较大，设计推采速度快，覆岩活动范围和强度大。过高的推采速度会导致煤岩层弹性能释放不及时、不均匀，发生局部能量过度积聚及瞬间大规模释放，进而诱发冲击[6-7]。为此，针对各采掘工作面，应积极利用微震系统监测分析采掘速度与微震活动强度的相关性。图4、图5为葫芦素煤矿21103工作面微震活动与推进度的关系曲线，可见，回采引起的动载扰动与推进速度密切相关，因此可通过微震监测结果合理调节工作面推进速度，实现煤岩体能量的缓慢释放。

图3 葫芦素煤矿微震台网布置误差反演

图4 21103工作面微震频次与推进度的相关性

图5 21103工作面微震能量与推进度的相关性

图6 葫芦素煤矿回采工作面微震事件平面投影

3.2.3 基于微震丛集现象的煤岩活动规律分析

微震事件是煤岩层活动的结果，微震丛集现象表明煤岩活动异常活跃。葫芦素煤矿微震监测表明，工作面回采过程中微震分布存在2处丛集现象，如图6所示，其发生机制如下：

(1)断层活化诱发强动载 F16断层附近微震密集分布，是大能量事件的主要发生区。分析认为F16断层附近煤岩层结构遭到破坏，在回采扰动下发生断层活化，能量释放速率偏大，持续时间长，可成为重要的冲击启动诱发载荷源，是矿井需要重点关注的冲击致灾源。

(2)多工作面采空区覆岩联动 微震监测发现，21103工作面回采过程中，21102工作面采空区内存在微震事件，这表明本工作面回采可引起相邻采空区顶板的二次活动，其活动范围一般位于超前本工作面80m至滞后工作面100m范围内。该现象表明，21102工作面回采16个月后，仍未实现充分采动，上覆岩层存在滞后断裂现象。2个工作面采空区顶板可发生联动效应，形成更大范围的微震活动群。

3.3 “钻-切-压”一体化顶板预裂技术

坚硬顶板是采掘巷道常规矿压及冲击地压的关键影响因素，顶板超前预裂是防治冲击地压的有效手段。目前，深孔爆破预裂和水力化压裂是处理顶板问题的常规方法。深孔爆破预裂顶板的效果直接、可控，是早期最为常见的顶板处理方法，应用最为广泛。但受安全管控影响，炸药的供应时常被中断，无法按计划开展顶板处理工作，顶板水力化预裂方法逐步推广开来。葫芦素煤矿针对坚硬顶板问题，引进“钻-切-压”一体化技术，实现了顶板高效切缝及预裂。

常规水力压裂技术采用刀片割缝，现场操作时必须先后3次推送钻杆，工艺复杂，耗时多，施工效率低，刀片成本高。为解决以上问题，采用“钻-切-压”一体化顶板预裂技术。钻孔后，在不退杆的情况下，直接切换高压进行定点旋转水射流，对指定位置顶板进行割缝，为后续压裂工序提供初始裂缝，减小起裂压力，引导裂纹扩张方向，提高定向压裂效果。

如图7所示，在回采工作面侧和煤柱侧各布置1组钻孔，孔间距均为15m，工作面侧孔深30m，煤柱侧孔深24m。孔内首先进行高压水射流切缝，然后利用封隔器定点压裂，在初始裂缝基础上继续扩展、贯通。压裂过程中，在高压胶管中部连接压力记录仪，实时捕捉裂缝扩展过程中压力变化情况，如图8所示，根据压力变化曲线可分析裂纹扩展过程。

图7 顶板“钻-切-压”布置方案

图8 水力压裂过程中压力变化曲线

现场切缝及压裂效果如图9所示，高压水可在完整的岩层段切割成缝，压裂过程中，压裂孔两侧15m的邻近孔出水，这表明通过切缝、压裂作用，顶板内形成了贯通裂缝，顶板完整性降低。利用钻孔应力计获取采取“钻-切-压”措施后巷道回采帮和煤柱帮应力最大值，如图10所示。顶板被处理后，煤柱帮和回采帮最大应力值分别降低48%和52%，卸压效果显著。

图9 高压水切缝及压裂效果

图10 采取“钻-切-压”措施后巷帮压力变化情况

4 结 论

(1)呼吉尔特矿区冲击地压主要有3种类型：临空巷道超前段冲击、工作面临空侧煤壁冲击、临空留巷滞后冲击。

(2)呼吉尔特矿区煤层赋存及开采设计具有其特殊性，可积极利用保护层开采、推行小煤柱护巷、多盘区跳采等冲击地压超前防范措施。

(3)针对微震监测，积极利用工作面多巷布置条件优化微震台网布置，利用微震活动强度调节推采速度，基于微震丛集现象分析多工作面采空区联动及断层活化问题。

(4)开发“钻-切-压”一体化高效预裂坚硬

顶板技术，利用高压水射流切缝为水力压裂提供起始裂纹，操作工艺更为简化、高效，压裂半径可达15m以上，巷帮压力降幅约50%。

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