坚硬顶板邻空巷道掘进冲击地压防治技术

李跃文，温颖远，曹安业，薛成春，谷 雨，吕国伟

（1.上海大屯能源股份有限公司 徐庄煤矿，江苏 徐州221600；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3.深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116）

近年来，随着矿井开采深度逐渐加大和地质条件复杂性的提升，越来越多的生产矿井出现了冲击地压现象，冲击地压已成为制约矿井安全生产的重大灾害之一。研究表明，厚度大于10 m的坚硬顶板容易造成顶板大面积来压、冲击地压等动力灾害，针对该问题，诸多专家学者从发生机理、监测及防治解危等方面进行了深入的研究。窦林名等[1]建立了围岩力学模型分析了围岩应力分布及演变规律，基于此分析了顶板型冲击矿压机理和类型。吕进国等[2]研究了巨厚坚硬顶板条件下断层诱发冲击矿压的机制，认为被断层切割的坚硬顶板的大面积活动为冲击地压的发生提供了动载条件。刘刚等[3]采用RFPA2D对坚硬顶板、坚硬煤层、坚硬底板三体模型进行冲击倾向性数值试验研究。李新华等[4]采用微震及矿压监测方法确定了坚硬直接顶超前工作面破断的位置及顶板周期来压步距，分析了回采工作面冲击地压的能量来源和致灾机理。曹安业等[5]研究了邻近断层处孤岛工作面开采时断层煤柱的受力状态与动力显现的发生机理，利用震动波CT技术对工作面冲击危险性进行动态预警。杨敬轩等[6]采用理论分析、物理相似模拟及现场实测相结合的方法，对坚硬厚层顶板群结构的破断冲击效应进行了分析。姚丽芳[7]针对坚硬顶板和高应力的开采条件，对工作面开采过程中微震事件的时空演化规律进行了分析，确定冲击地压预警指标值，建立联合指标对冲击地压进行预报。黄炳香等[8]针对煤矿坚硬顶板硬度大、整体性强、分层厚度大等特点，提出坚硬顶板水压致裂控制的理论与成套技术框架。李浩荡等[9]针对某矿坚硬厚层顶板条件下采煤工作面发生的冲击地压灾害,分析了灾害发生的原因并提出了防治原则。郭德勇等[10]针对坚硬难垮落顶板控制问题，采用聚能爆破方法弱化坚硬顶板。王涛等[11]针对忻州窑煤矿11#煤层回采时邻空煤柱侧巷道多发冲击地压的现状，分析了邻空煤柱巷道侧冲击地压的成因和受夹持煤体的冲击失稳过程，制定了利用瓦斯巷开展断顶卸压爆破的解危方案。

上述研究结果对矿井由坚硬顶板引发的冲击地压起到了很好的指导作用和防治解危效果，但目前大部分研究成果主要服务于工作面回采期间，而对于巷道掘进期间由坚硬顶板引发的强矿震和冲击地压问题缺少深入的分析和有效的防治手段。针对徐庄煤矿7335工作面材料道掘进期间冲击显现问题，采用理论分析和微震监测确定大能量震动发生的空间位置，分析了大能量矿震发生的影响因素，针对性地提出以顶板超前预裂爆破和大直径钻孔卸压为主的防治解危措施，并进行微震监测效果检验。

1 工程背景

1.1 生产技术条件

徐庄煤矿主采煤层为7煤和8煤，7335工作面回采7煤，煤层具有强冲击倾向性。工作面为Ⅱ（3）采区7煤层第2个区段工作面，区段煤柱宽度为5 m，工作面南部为7333工作面采空区，北部为实体煤，东部为井田边界，西部为Ⅱ（3）采区上山。

工作面开采深度为650~730 m，工作面煤层平均厚度4.76 m，直接顶为6.7 m的砂质泥岩，基本顶为7.23 m的中砂岩，并且煤层上方赋存多层厚硬岩层。7335材料道掘进期间共揭露8条断层，其中断层对巷道掘进影响较大，落差4.6 m。

1.2 矿压显现异常情况

7335工作面材料道掘进期间应力集中程度较高，经常出现卡钻、吸钻等动力现象，并且矿震频发，发生多次能量大于1×104J大能量矿震事件，造成掘进面剧烈振动，显现最剧烈的位置为综掘机位置，迎头后方10~20 m范围内顶底板及帮部变形量为200~300 mm，无锚杆和锚索断裂情况。

2 大能量矿震发生的能量大小及空间位置

7335材料道掘进期间共发生多次大能量矿震事件，在2017年11月21日至2018年1月27日掘进期间，有详细报告记录的4次大能量矿震事件能量大小分别为 1.3×106、1.09×106、4.90×105、1.84×105J。

根据SOS微震监测系统对矿震事件的三维定位，4次大能量矿震事件均位于7335材料道内侧，考虑到震源垂直方向存在一定的定位误差，以及材料道现场显现情况，经分析认为大能量矿震震源均处于煤层上方的厚硬顶板中。

3 大能量矿震发生原因分析

3.1 顶板与采掘扰动影响

根据工作面综合柱状图（略）可以发现，7335工作面上方赋存多层厚硬岩层，受7333采空区上方顶板岩层垮落不充分影响，易积聚较高弹性能；在7335材料道掘进期间受掘进扰动影响，靠近材料道未充分跨落岩层容易发生二次运动和失稳，从而引起大能量矿震的发生。因此，7335工作面掘进活动扰动和巷道上方邻空侧厚硬顶板悬顶是大能量矿震事件发生的主要诱因。

3.2 断层影响

大能量矿震发生期间，7335材料道掘进头附近发育多条落差大于3 m的断层构造，根据2017年10月24日—11月24日间矿震数据定位情况，矿震多发生在断层区域及断层延展方向附近，矿震能量多为100~1 000 J，但在断层影响区域范围内发生1次1.3×106J的大能量矿震。

3.3 煤层厚度变化影响

统计分析表明，煤层厚度的变化对冲击地压的发生是有很大影响，在厚度突然变薄或者变厚处，往往易发生冲击地压。根据实测地质资料显示，材料道掘进期间存在约200 m范围煤层厚度变化较大区域，材料道在煤层厚度变化区域掘进期间，矿震频发，并且能量较大。

3.4 掘进速度变化影响

选取2017年11月8日至2017年11月17日和2018年1月19日至2018年1月28日2个阶段的矿震数据进行分析，掘进速度变化影响矿震能量及频次对比图如图1。

图1 掘进速度变化影响矿震能量及频次对比图

从图1可以得出，当7335工作面掘进速度加快，矿震能量升高，频次降低，主要以大能量矿震为主；当掘进速度降低时，矿震能量降低，频次升高，主要以小能量矿震为主。因此巷道掘进速度的变化，也影响矿震能量及频次的变化。

4 掘进期间冲击地压防治措施及效果

根据以上微震实测及理论分析，大能量矿震事件的发生是受邻空侧巷道掘进期间扰动影响，导致相邻采空区坚硬顶板的破断垮落，从而释放出较大的能量事件，同时动载应力波可能诱发具有冲击倾向性的煤体发生冲击地压。因此，针对坚硬顶板条件下邻空侧巷道掘进期间的冲击危险性，在传统的大直径钻孔卸压措施基础上，提出了顶板超前爆破致裂方案，同时降低掘进速度。

4.1 大直径钻孔卸压方案

巷道迎头按正三角施工卸压孔，钻孔间距1 m，下部孔位置距巷道底板向上1 m，上部孔与下部孔呈等边三角形布置。钻孔顺煤层走向方向，平行于煤层层理，孔深取15 m。保证掘进施工过程中卸压孔始终超前迎头5 m

在巷道帮部布置大直径卸压钻孔，卸压钻孔间距1.6 m，孔深取15 m，若验证孔煤粉量≥临界值，则缩小钻孔间距，在原2个钻孔之间施工卸压钻孔。钻孔平行于煤层倾角，保证帮卸压钻孔滞后迎头小于5 m。

4.2 顶板超前爆破卸压方案

根据大能量矿震定位的岩层层位以及现场实际情况，对7335材料道上方顶板40 m范围内厚硬岩层实施顶板爆破，从而释放顶板中的部分能量，同时切断顶板的能量传递通道，使巷道处于周围形成破碎区保护圈内。

巷道两帮各布置1个炮孔，炮孔直径75 mm，孔深50 m，实体煤帮炮孔角度与巷道走向和水平方向角度范围分别为 10°~15°和 30°~35°，靠近采空区侧其角度分别为≤5°和25°~30°，炮孔间距约为35 m，即始终保持15 m的卸压带，炮孔剖面布置示意图如图2。

图2 炮孔剖面布置示意图

每孔装药长度20 m，装药量60 kg，封孔长度为15 m，采用导爆索一次性起爆，并且2个炮孔同时起爆，顶板深孔爆破装药结构示意图如图3。

图3 深孔爆破装药结构示意图

4.3 降低掘进速度

严格控制巷道掘进速度，不超过4 m/d，降低掘进活动对顶板的扰动影响，加强矿压监测和顶板支护强度。

4.4 效果检验

对实施卸压措施处理前后巷道微震事件日能量和及日发生频次进行了分析，现选取2017年11月1日—11月30日（主要采取煤层大直径钻孔卸压措施）和2017年12月1日—12月31日（采取降低掘进速度、顶板爆破卸压及钻孔卸压等措施）2个时间段的矿震数据进行分析。2个时间段矿震能量及频次时间序列图如图4。在11月1日—11月30日期间（无11月21日和11月26日2次大矿震数据），矿震释放的总能量约为2.46×106J，而在12月1日—12月31日期间，矿震释放的总能量约为1.78×106J，加强防冲措施后矿震释放总能量约为加强前矿震释放总能量的72.4%。

图4 能量与频次时间序列图

图4 表明当进行巷道顶板超前预裂爆破后，微震事件能量和及频次都下降，尤其是能量下降显著。虽然在2018年1月3日和1月27日发生了2次大能量矿震事件，但相对于2017年11月21日和11月26日2次大能量矿震事件，其能量级均由106J降到了105J，由此说明顶板预裂爆破措施显著降低了围岩释放能量，从而有效降低了工作面掘进期间冲击地压危险。

5 结论

1）7335工作面材料道掘进期间引起的大能量矿震事件主要位于煤层上方坚硬顶板岩层。

2）大能量矿震事件发生主要是工作面掘进扰动引起顶板二次活动引起的，同时受到断层构造、煤层厚度变化及掘进速度过快等因素综合影响。

3）针对7335工作面材料道坚硬顶板赋存条件和掘进期间冲击显现情况，在传统的大直径钻孔卸压措施基础上，提出顶板深孔爆破和降低掘进速度等措施，微震监测结果显示降低了工作面掘进期间的冲击危险性。