深部煤层工作面冲击地压分析与防治

武晋飞 申玉明 杨皓博

（陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500）

冲击地压是煤矿开采过程中特别严重的动力灾害[1]。由于产生冲击地压的因素多元性，无法预测冲击地压的产生，只能结合现场环境采取相应的卸压措施。冲击地压与埋深呈线性相关，埋深越大，冲击地压越容易发生；坚硬顶板也是诱发煤矿冲击地压的因素；较厚煤层回采后产生的大面积采空区也会加大冲击地压的产生几率[2]。因此，本文以彬长煤矿40309深部硬厚顶板工作面为工程背景，通过分析导致冲击地压的原因，设计合理的冲击地压防治方案。

1 工程背景

（1）工程概况

40309工作面位于三盘区，埋深范围531～731 m，设计开采4号煤层，煤层赋存连续完整，掘进过程中未发现大型断裂构造，煤层厚度19～28 m，煤层倾角0°～5°，煤层层位及结构简单稳定。40309工作面巷道顶底板物理力学参数见表1。

表1 巷道顶底板物理力学参数

由表1可知，40309工作面巷道直接顶属于工程性软岩，易受外力作用发生破碎变形；底板岩性较软，易发生变形破坏；老顶较为坚硬，在开采过程中易积蓄大量弹性势能。

（2）工程问题

由工程概况可知，工作面埋深较大，发生冲击地压的概率大大增加；煤层厚度较大，回采后形成大面积采空区，增加顶板积蓄的变形能；工作面巷道顶板属于厚硬岩层，且顶底板稳定性较差，易受开采扰动产生冲击地压。冲击地压威胁人员的人身安全，并导致大量经济损失。因此分析冲击地压出现的原因并设计合理的卸压方案显得尤为重要。

2 问题机理

矿压显现剧烈主要是因为开采导致巷道煤层应力重新分布，垂直应力向两帮转移，水平应力向顶、底板中转移。煤层受重新分布后的不均应力作用，在巷道煤层冲击地点受高应力集中作用，于工作面顶板中蓄积大量变形能，受工作面采动影响，岩层中积蓄的弹性势能突然大量释放，工作面巷道围岩受变形能冲击作用发生变形破坏。如图1。

图1 工作面围岩受力示意图

由图1可知，在巷道开挖后，煤岩体由三向受力变为双向受力，围岩应力重新分布，受垂直方向的不均应力σy与水平方向的均布应力σx作用，不均垂直应力相互叠加形成应力峰值σmax[3]。随着工作面回采，应力峰值σmax增大，当σmax超过煤岩体的极限破坏强度时，巷道发生片帮和冒顶，煤岩体积蓄的变形能在极短的时间大量释放，产生冲击地压现象。因此，根据工作面具体条件选择安全合理的卸压方法至关重要。

3 卸压方案及参数

（1）卸压方案

冲击地压的主要防治方法有：煤层注水法、爆破卸压法、钻孔卸压法等。煤层注水法通过高压向煤岩层注水，破坏煤岩体结构的整体性，进而降低煤岩体中的变形能，适合易产生裂隙的煤岩体，且施工难度及成本较高。爆破卸压法通过爆破来破坏煤岩体稳定性，能最大限度地释放积聚在煤体中的弹性能，有效防治冲击地压。但爆破卸压需要结合工作面实际情况进行合理布置及合理的装药量，有一定的危险性与不确定性，不适合于存在瓦斯的工作面。钻孔卸压法是目前普遍使用的卸压方法，操作难度与成本较低，适用于大多数工作面。钻孔卸压法是利用高应力条件下煤层中积聚的弹性能来破坏钻孔周围的煤体，使煤岩层卸压、释放能量，消除冲击危险[4]。40309工作面瓦斯含量高，无法使用爆破卸压法防治冲击地压。40309工作面埋深较大，煤体垂直应力较大，钻孔卸压效果显著，且钻孔卸压法成本远低于煤层注水法，钻孔卸压法可安全有效提高经济效益，所以选择钻孔卸压法防治冲击地压。其中，钻孔直径、间距等均为影响卸压效果的重要因素，所以需要理论计算得出合理的钻孔卸压参数。

（2）钻孔直径

钻孔直径计算见式（1）、（2）。

式中：d为钻孔直径，mm；R为围岩松动圈半径，实测为820 mm；φ为煤岩体的内摩擦角，23°。代入计算得钻孔的直径为133.8 mm，取133 mm。

（3）钻孔间距

钻孔间距计算见式（3）。

式中：ε为安全变量，0.2；k为安全系数，1.1；h为煤层平均厚度，23.5 m。代入计算得钻孔的间距应小于3.251 m，孔间距取3.2 m。

（4）钻孔深度

卸压钻孔深度位于煤柱应力峰值区时卸压效果较为显著。根据现场实测发现：40309工作面煤柱侧应力峰值区范围为12～16 m，回采侧应力峰值区范围为28～32 m，煤层底板极限平衡区范围为8～12 m。

（5）钻孔卸压具体方案

帮部卸压区域超前工作面300 m。帮部卸压钻孔直径为133 mm，孔间距为3.2 m，根据工作面应力峰值区范围确定煤柱侧钻孔深度为15 m，回采侧钻孔深度为30 m，封孔长度4 m。钻孔布置方式如图2。

图2 帮部大直径卸压钻孔布置示意图

底板卸压钻孔直径133 mm，钻孔与水平面夹角为60°，孔间距3.2 m，根据煤层底板极限平衡区范围确定钻孔深度为10 m，封孔长度2 m。钻孔布置如图3。

图3 底板大孔径卸压钻孔布置示意图

4 现场实测

在40309工作面及相邻未卸压工作面回采巷道非回采帮每30 m安装一组钻孔应力监测计，对卸压区残余支承应力进行监测，与相邻未卸压工作面残余支承应力进行比较，观察钻孔卸压方案的应用效果。图4为残余支承应力变化曲线（取每个测点数据的平均值）。

图4 残余支承应力变化曲线

从图4可以看出，相邻未卸压工作面残余支承应力峰值为14 MPa，钻孔卸压工作面残余支承应力峰值为9.8 MPa。钻孔卸压后应力峰值下降1.4倍，应力峰值向巷帮深部转移20 m，稳定性显著提高。

5 结论

（1）诱发40309工作面冲击地压的因素有：工作面较大的埋深及较厚煤层回采形成的较大空间采空区。

（2）针对40309工作面产生冲击地压的原因，结合工作面实际情况选用钻孔卸压法防治冲击地压。

（3）钻孔卸压方案将煤岩残余支承应力峰值降低1.4倍，应力集中区域向深部转移20 m。