乌东煤矿近直立煤层不同卸压方案效果对比研究

常 博，王 建，李 康，闫瑞兵

(神华新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830084)

煤矿冲击地压灾害是井下采掘空间周围煤岩体急剧破坏，并突然释放大量能量的一种强烈动力现象，可严重损毁井巷及设备，造成人员伤亡，是我国煤矿最为严重的动力灾害之一[1]。此外，冲击地压还可能诱发瓦斯异常涌出、瓦斯爆炸等重特大灾害。冲击地压现象的本质是高应力状态作用下煤岩体的突然失稳破坏[2]。因此，采取有效措施避免应力集中是冲击地压防治的关键。卸压爆破是较为常见的降低煤层应力的方法。卸压爆破是通过震动破坏对煤岩体结构进行改造，重新形成以爆炸点为中心顺次向外的破碎区、裂隙区、弹性区，导致围岩深部应力重新分布，产生大范围应力降低区，促使应力较为集中的弹性区转移到围岩深处，从而使围岩应力场得到改善[3]。

王猛等[4]对钻孔卸压机理进行了研究，并提出了卸压效果的评价方法。张恒等[5]利用数值模拟方法对深部巷道爆破卸压进行了研究，通过计算对比得出了合理炮孔深度。刘少虹等[6]对卸压爆破下强冲击危险巷道围岩震动规律进行了试验分析，并提出在进行卸压爆破设计时，通过控制卸压爆破震动的幅值、频率和持续时间3个指标，找到卸压效果与围岩损伤的平衡点。高永格等[7]研究了钻孔孔径及布置方式对煤巷卸压效果的影响，发现在相同地质条件下适当增大钻孔直径可以提高卸压效果。孙东飞等[8]研究发现，大直径钻孔卸压，钻孔越深卸压效果越明显。此外，钻孔布置也对卸压效果影响较大。对于急倾斜煤层冲击地压防治，也有学者进行了研究并取得了一些成果[9-15]。由于其发生机理的复杂性，目前的研究仍有待进一步深入。乌东煤矿煤层倾角达到87°，是较为典型的急倾斜煤层。采用传统的卸压方法虽然也能达到一定的卸压目的，但卸压效果难以达到预期。为此，本文从卸压方式着手，对三种不同卸压方案的卸压效果和经济效果进行对比，以期找到适合近直立煤层较为理想的卸压方法，研究结果对急倾斜煤层冲击地压的有效防治具有一定的指导意义。

1 工作面概况

乌东煤矿南区煤层赋存条件为近直立特厚煤层，其冲击地压致灾机理存在一定独特性。随着采深增加，两组煤层间岩层形成高耸岩柱，岩柱在受到水平构造应力和自重应力影响下，下侧与回采煤层相交部位产生倾斜撬动效应，在采动扰动下，岩体聚集弹性能通过煤体释放，发生不同程度的冲击地压现象。乌东煤矿现回采+450m水平B3+6煤层，采深约350m，走向长度为2520m，终采线位置为272m，B3+6工作面超前B1+2工作面开采。B3+6工作面北部为顶板，南部为中间岩柱及B1+2工作面，下部为下分段水平，上部为上分段采空区，工作面开采布置如图1所示。工作面采用水平分段综采放顶煤采煤方法，分段高度为25m，其中割煤厚度为3m，放煤高度为22m，采放比为1∶7.2。工作面回采后地表用黄土进行填充。回采至2025m、1852m、1565m位置时先后发生3次矿压显现。

2 区段治理工程

乌东煤矿+450水平B3+6综放面于6月16日恢复生产，工作面走向位置1542m，截止8月3日，走向位置1375m，累计回采167m。深层爆破孔施工情况为：B3巷施工至1310m，装药至1430m，爆破至1450m；B6巷顶板施工至1260m，装药至1450m，爆破至1470m，深层爆破孔排距为10m/排。浅层爆破孔施工情况为：排距为40m/排，在浅层爆破孔在调整过程中，由于受超前支架与转载机影响，现场无钻机施工空间，B3巷浅层爆破孔从1515m开始补孔，B6巷浅层爆破孔自1475m开始补孔。为此，+450水平B3+6综放面经历3个不同区段治理工程。

2.1 “深孔为主、浅孔为辅”布置方式

浅层爆破孔排距均为40m/排，深层岩体爆破孔排距为10m/排，施工区域1485～1542m。“深孔为主、浅孔为辅”爆破孔布置施工区域如图2所示。浅层岩体爆破孔布置如图3所示，其参数见表1。深层爆破孔布置如图4所示，其参数见表2。

图2 “深孔为主、浅孔为辅”爆破孔布置施工区域

图3 浅层岩体爆破孔布置方式

2.2 深浅孔交替布置方式

深层岩体爆破孔和浅层爆破孔排距均为10m/排，钻孔施工参数见表1、表2，施工区域1430～1485m，深浅岩体爆破孔交替布置施工区域如图5所示。

表1 浅层岩体爆破孔施工参数

图4 深层岩体爆破孔布置方式(m)

表2 深层岩体爆破孔施工参数

图5 深浅岩体爆破孔交替布置施工区域

2.3 “浅孔为主、深孔为辅”布置方式

深层岩体爆破孔排距为30m/排，浅层岩体爆破孔排距为10m/排，爆破孔超前综放面30～90m爆破，“浅孔为主、深孔为辅”爆破孔布置施工区域如图6所示。

图6 “浅孔为主、深孔为辅”爆破孔布置施工区域

3 效果分析

不同区段的治理的措施卸压效果主要通过微震数据进行分析。考虑到低能微震事件对整体分析研究的干扰，本次微震数据选择102J及以上能级数据，时间为2017年6月1日至8月2日。其中：6月1日—6月16日，工作面停止生产；6月16日—6月26日，工作面采用“深孔为主、浅孔为辅”治理措施；6月26日—7月25日，工作面采用深浅孔交替治理措施；7月25日—8月2日，工作面采用“浅孔为主、深孔为辅”治理措施。

3.1 微震事件统计分析

从冲击地压2个主要致灾因素(地质因素、开采因素)来看，由于3个区段工程处于同一水平，且实施区域相邻，基本处于连续状态，地质因素可似为相同；综放面推进度基本保持4m/日(5刀/日)推进度，回采率波动相对较小，开采强度基本保持稳定状态。因此，通过日均能量和日频次和每米平均能量和频次进行对比分析，具体为：

1)微震监测日能量和日频次进行对比分析如图7所示。由图7可以发现：后2阶段治理工程与前1阶段工程相比，微震监测能量和频次都有所下降，日监测能量分别下降了47.2%和7.2%，日频次下降39.4%和24.3%。

图7 不同区段工程日均微震能量和频次和对比

图8 不同区段工程每米微震能量和频次和对比

2)每米平均能量和频次对比分析如图8所示。结果表明，后2阶段治理工程与前1阶段工程相比，微震监测能量和频次都有所下降，每米监测能量分别下降了58.5%和33.8%，频次下降49.5%和55%。

3.2 微震事件—时间变化规律分析

不同区段治理工程微震频次和能量曲线如图9所示，从不同区段内微震事件的时间规律进行分析可知，不同阶段治理措施实施后，工作面附近微震事件频次和能量呈现明显降低趋势，特别是在新老治理措施过渡阶段降低最为明显。2017年6月26日，浅层岩体爆破孔进行加密，微震频次和能量降低，且呈现平稳但略微加快的趋势，表明与以深层体孔为主相比，深浅孔交替布置和浅层岩体孔为主阶段解压工程对降低工作面应力更有效，其中深浅孔交替布置阶段降压更加明显。

图9 不同区段治理工程微震频次和能量曲线

3.3 微震事件—空间变化规律分析

为了解不同区段措施实施后应力的时空分布特征，特对工作面附近区域微震事件的空间布局按照B3底板、B3+6煤层和B6顶板三个区域进行划分，通过对比分析3个区段内微震事件的百分比变化来掌握工作面附近应力分布的空间分布特征，具体见表3。通过分析可以看出，浅层岩体为主爆破孔实施后，工作面附近微震事件的空间分布比例基本上没有太大的变化，事件基本集中分布在B3底板侧和B3+6煤层中，表明与深层孔为主相比，未造成工作面应力空间分布的重新排布。但整体来说，浅层岩体为主爆破孔实施后，B3底板侧应力呈现降低、B3+6煤层和B6顶板侧应力呈现增加的态势。

4 经济效益

上述研究结果表明，深浅孔交替布置方式爆破卸压效果最优，“浅孔为主、深孔为辅”布置方式次之，“深孔为主、浅孔为辅”布置方式最差。通过对深浅孔交替、“浅孔为主、深孔为辅”、“深孔为主、浅孔为辅”三种卸压工程的成本进行统计分析，得出每米的爆破成本分别为1064元、28336元、7264元。卸压效果越优，成本越高。因此，综合考虑经济效益和生产安全，不同卸压工程应根据区域危险性有选择的实施。在地质条件相对复杂，危险性高的区域采用深浅孔交替布置方式爆破卸压，相对安全区域采用深孔为主浅孔为辅布置方式。以确保在安全生产的前提下，提高企业经济效益。

表3 不同区段微震频次和能量按空间分布统计表

5 结 论

1)通过日均能量、频次和每米能量、频次对3个不同区段治理工程进行了分析，浅层岩体爆破孔加密后，均能量和频次明显下降，工作面附近区域应力集中降低，卸压效果提升。

2)从不同区段内微震事件的时间规律进行分析，与以深层体孔为主相比，深浅孔交替布置和浅层岩体孔为主阶段卸压工程对降低工作面应力更有效，其中深浅孔交替布置区域降压更加明显。

3)从不同区段内微震事件空间变化规律来看，不同区段治理措施在微震事件的空间分布未出现明显变化，事件仍然集中分布在B3底板和B3+6煤层中，采用浅层岩体为主措施后B6顶板和B3+6煤层中微震事件的比重有增加态势。

4)通过对3个不同区段的治理工程效果分析发现：深浅孔交替布置方式最好，其次为浅孔为主深孔为辅布置方式，最后为深孔为主浅孔为辅布置方式。以上三种布置方式每米的爆破成本分别为：1064元、28336元、7264元。综合考虑经济效益和生产安全，卸压工程布置方式应根据不同区段危险程度有选择性的实施。