综放开采见方构造区冲击危险性分析及防治研究

闫耀东， 潘俊锋， 席国军, 焦彪， 史星

(1.煤炭科学研究总院， 北京 100013；2.中煤科工开采研究院有限公司， 北京 100013；3.陕西彬长胡家河矿业有限公司， 陕西 咸阳 713600)

0 引言

随着煤炭开采活动向深地转移，冲击地压问题日益凸显[1-2]。由于冲击地压成因复杂，显现形式多样，当前对冲击地压的机理认识、监测手段和防治措施也复杂多样，致使矿井难以选择合适的方法解决冲击地压问题[3]，更为严重的是冲击地压的发生可能诱发煤与瓦斯突出及冒顶等次生灾害，严重限制了深部矿井的生产与建设。

目前，我国在冲击地压理论研究方面成果众多[4-7]，包括应力控制理论、弱化减冲理论及冲击启动理论等。基于冲击地压发生机理指导的防冲实践，在复杂的地质及采掘条件下的应用也不尽相同，齐庆新等[8]分析了深孔断顶爆破在甘肃平凉华亭煤矿急倾斜煤岩层条件的应用。潘俊锋等[9]分析了深孔区间爆破技术在河南义马千秋煤矿半孤岛工作面的应用。在监测技术方面，姜福兴等[10]分析了微地震监测手段在山东枣庄朝阳煤矿千米深井构造活化区的应用。蔡武等[11]分析了微震多维信息的时空预测方法在河南义马跃进煤矿断层构造区的应用。以上防冲实践在指导冲击地压矿井的安全生产中有重大意义，但更多地是从单一地质构造或见方效应的因素分析矿井的冲击危险性，而当前冲击地压矿井鲜明的特点就是开采条件一直变化，影响因素复杂多样，也就意味着没有绝对成熟的防治技术拿来复制[12]，需要因地制宜分析多因素耦合对冲击地压的影响。

对于综放工作面而言，顶板垮落形成的空间结构复杂[13]，随着工作面回采至采空区见方时[14]，顶板上覆岩层在垂直方向上的运动可达到最大值，若此时井田构造较发育，二者相互叠加作用，对于防治冲击地压极为不利。鉴此，本文以陕西彬长胡家河煤矿401111综放工作面为工程背景，具体分析综放开采条件下地质构造与见方效应耦合区域内的冲击危险性及防治措施，为类似条件下的冲击地压煤层安全回采提供参考。

1 工程背景

401111工作面是胡家河煤矿401盘区布置的第5个工作面，为综放工作面，其布置如图1所示，井下具体位置如下：东侧紧邻401101工作面采空区，南侧为矿井边界保护煤柱，西侧为矿井三下开采区，北侧为中央大巷保护煤柱。煤层底板标高为+340～+356 m，该工作面设计长度为1 607.5 m，倾向长度为180 m。工作面在准备期间，除布置运输巷、回风巷外，仍需在煤层中布置高位瓦斯抽放巷以及在部分区段煤柱内布置泄水巷。该工作面4号煤层赋存稳定，煤层近乎水平，厚度为15.0～27.0 m，平均厚度约为24 m。工作面内发现曲率半径大于5 m的低序次的褶曲1个(向斜Q1)，同时工作面回风巷处存在1个正断层F6,产状150°,∠46°,落差H=6～10 m，破碎带宽度约为0.2 m。

根据以往胡家河煤矿动力显现历史规律，401盘区工作面多次发生冲击显现，严重影响了矿井的生产效率。如2013年的2起冲击显现，401101工作面回风巷强烈煤炮导致回风巷道内超前约40 m处出现局部冒顶；401101工作面运输巷采煤机从机尾向机头方向割至70号支架时，工作面煤炮频繁、强烈。运输巷超前支架至转载机、破碎机之间发生了冒顶事故。

2 综放开采见方构造区冲击危险性分析

401盘区早期开采的工作面受相邻采空区的影响有限，工作面的冲击危险性受Q1褶曲及F6断层的影响更多。随着采空区的不断形成，目前401111工作面回采推进时，工作面上方顶板随着采空的扩大，依次与东侧401盘区其他工作面采空区联通产生见方，其中双面见方时期与过褶曲时期部分重叠，四面见方时期与过断层时期部分重叠，两时期见方效应与地质构造联合作用的区域称作见方构造区。见方构造区的冲击危险性影响因素复杂，而影响因素在不同开采阶段、不同开采环境下可表现出不同的影响方式和程度。

2.1 动载荷源分析

(1) 工作面见方垮落影响。工作面采空区见方垮落通常指在工作面推进距离与采空区宽度大致相等的条件下，采空区上覆某一岩层或岩层组的整体垮落。一般认为，见方垮落时顶板活动强烈，易造成采掘巷道矿压显现异常问题，甚至导致动力灾害的发生。401111工作面为401盘区布置的第5个工作面，工作面东侧均为采空区，当其回采推进时，存在4次见方效应，潜在冲击风险极大。

(2) 坚硬厚层顶板活动影响。煤体被采出后，直接顶随工作面推进而不断垮落，而上覆坚硬顶板悬而不垮，将上覆岩层的重力传递至工作面前方及侧向煤体，此时支承压力作用范围内煤体的弹性能水平显著提高，冲击危险性增大。之后上覆坚硬顶板在破断过程中，悬空顶板所积聚的大量弹性能突然释放，形成强烈的动载荷，极易导致冲击地压等动力灾害的发生。401111工作面开采的4煤层被鉴定为具有强冲击倾向性，鉴定结果见表1，在其上方37 m左右位置出现厚度超过10 m的粗粒砂岩顶板，强度较大，易在采空区上方形成悬顶，且该类型顶板垮断时会释放较大能量，产生剧烈动载扰动，冲击危险性较高。

表1 煤层冲击倾向性鉴定结果Table 1 Identification results of coal seam impact tendency

依照工作面见方垮落划分的回采推进区域以及微震监测信号测点布置位置如图2所示。对工作面推进到A、B、C和D区域的微震监测数据进行统计分析，工作面回采期间微震日累计能量、频次变化如图3所示。从图2可看出，工作面推进到A区域及C区域时，影响两区域冲击危险性的因素主要为工作面见方垮落。从图3可看出，工作面见方垮落时，顶板积聚的弹性能释放，形成强烈的动载荷，具体表现为见方时期微震日累计能量及频次显著增大，同时三面见方时期较单面见方时期具有更高的能量及频次，工作面冲击危险性更高。

图2 工作面回采推进及微震监测布置Fig.2 Layout of mining advance and microseismic monitoring in working face

图3 工作面回采期间微震日累计能量、频次变化Fig.3 Daily cumulative energy and frequency variation of microseisms during mining in working face

2.2 静载荷源分析

(1) 构造应力的影响。401111工作面Q1褶曲构造区的掘进及回采工作面冲击危险性总体偏高。褶曲构造系岩层受强力作用所揉成的弯曲变形，岩层的产状变化很大，但岩层的连续性并未受到严重破坏，在褶曲边缘、煤层走向及走向变化处，尤其是褶曲轴部升起的煤层转折处是冲击地压频发区。随着工作面回采靠近断层F6时，超前支承压力的前移受阻，致使采场覆岩压力大都作用在当前工作面与断层面之间的煤体上，该处煤体内支承压力大幅增加。同时断层构造区域存在地质构造应力场，在较高支承压力和构造应力异常的双重作用下，断层带附近煤岩体发生冲击的可能性将会显著加大，构造应力影响区域内采动应力演化规律异常复杂。

(2) 垂直应力的影响。401111工作面平均开采深度为634.9 m，超过了彬长矿区的冲击地压临界深度，处于高应力环境，煤岩体内垂直应力集中区往往为冲击启动区。见方初期顶板悬而不垮，煤壁前方超前支承压力水平高于未见方时期。同时工作面布局设计不合理往往也会导致垂直应力集中。401111工作面设计在401盘区最西侧，其东侧工作面均已回采完毕，相邻采空区对其回采影响极大；与401101工作面间的部分区段煤柱内开挖了1条泄水巷，泄水巷的开挖增大了区段煤柱内的垂直应力集中程度，当工作面推进至终采线附近时，巷道群的影响又提高了冲击风险。

根据图2可知，工作面在刚推进至B区域及D区域的前端时，两区域在构造应力异常及垂直应力较高的双重影响下，冲击危险性大大增强。而利用微震数据实现对静载荷源的观测，还需结合图3相应时期的微震事件进行统计，工作面推进至4个区域时，不同区域超前范围内微震事件分布如图4所示。工作面超前支承压力影响区域是冲击地压、微震事件的主要发生区域[15]。

图4 工作面不同区域超前范围内微震事件分布Fig.4 Distribution of microseismic events in different areas of working face

从图4可看出，随着工作面的不断推进，工作面见方垮落，依次经过褶曲、断层构造影响区，工作面超前支承压力不断增大，垂直应力峰值位置逐渐向煤层深部转移，由A区域的超前60 m增大至D区域的超前100 m，其影响范围也逐渐扩大。

3 见方构造区冲击地压防治

根据以上对影响见方构造区冲击危险性的动静载荷源的分析，结合图3中见方构造区的微震事件的变化，即见方构造区微震事件频繁且日累计能量较大，可得见方构造区既有易产生集中静载的区域，又有易产生集中动载的区域，属强冲击危险区域，分别为双面见方与褶曲构造组合作用段，回风巷 325～460 m；四面见方与断层构造组合作用段，回风巷876～1 011 m。

根据冲击地压分源防治理念，在见方构造区域巷道的不同层位实施顶板预裂爆破，削减巷道围岩远场见方效应带来的集中动载荷影响，帮部实施大孔径钻孔卸压，底板实施大孔径钻孔+爆破卸压技术，以减弱巷道围岩近场集中静载荷的影响。

3.1 顶板动载荷卸压措施

工作面见方构造区顶板上方50 m范围依次分布有5.7 m中粒砂岩、7.1，9.7 m厚泥质粉砂岩和7.2 m含砾粗砂岩，其悬顶时易积聚弹性能导致工作面超前范围支承压力增大，其断裂时弹性能快速释放，对冲击危险性影响较大。利用炸药爆破的预裂作用对顶板上覆岩层中的关键层进行预裂，降低工作面在回采过程中与相邻采空区顶板联通活动造成的影响和破坏程度，缩短周期来压步距，降低周期来压强度。

见方构造区域预裂孔的施工参数见表2，布置方式如图5、图6所示，分别从巷道及工作面尺度体现了顶板预裂孔施工的相对空间关系，对见方构造区工作面的相邻采空区悬顶进行切顶，降低工作面超前及侧向支承压力。

表2 顶板预裂孔布置参数Table 2 Parameters of roof presplitting holes layout

图6 顶板预裂孔布置水平剖视图Fig.6 Horizontal sectional view of roof presplitting holes layout

3.2 煤层及底板静载荷卸压措施

见方构造区内垂直应力及构造应力联合作用，应力环境复杂，在帮部实施大孔径卸压孔，可降低巷道围岩近场处静载荷的集中程度。顶板上覆岩层压力向帮部传递过程中，通过卸压钻孔的塌陷将一部分能量释放，降低帮部煤体的应力集中程度，可减少帮部变形。在实施过程中，保证工作面超前200 m范围内，每隔1 m至少布置1个卸压钻孔，且确保每个钻孔的有效性。卸压孔开口位置为帮部距底板1.5 m处，孔径为150 mm，孔深煤柱帮为15 m，实体煤帮为20 m，倾角为0，方位角为90°或270°。钻孔施工完毕后使用“水泥+煤泥”(比例为1∶3)进行封孔，封孔深度为3 m。

在见方构造区内，实施底板大孔径钻孔与爆破卸压相结合的卸压方式，目的是在巷道两帮向底板的压力传递路径上实施底板卸压，在压力传递过程中底板处卸压孔的塌陷将一部分压力吸收，同时爆破卸压大范围切断了应力转移路径，减少了底板鼓起和底角压溃现象。先在巷道底板实施大孔径钻孔，开口位置为底板两底角处，钻孔间距为2.8 m，孔径为150 mm，孔深为10 m，倾角为-45°，方位角为90°或270°，使用水泥、煤泥进行封孔，封孔深度为3 m。后在相邻2个大孔径钻孔的中间施工底板爆破卸压孔，布置方式如图7所示，开口位置为两底角高0.3 m处，使用串联连线正向装药，采用导爆索+雷管+起爆器连接起爆，起爆间隔时间为30 min，每次爆破不得超过2个孔。

图7 底板爆破卸压孔布置方式Fig.7 Layout of bottom plate blasting pressure relief holes

3.3 效果分析

目前401111工作面回采至距终采线250 m处，未出现灾害性冲击地压显现，工作面巷道的围岩变形得到了有效控制。为进一步验证401111工作面卸压解危措施的有效性，还需通过具体的监测数据来分析。

对401111工作面卸压后的日微震事件能量进行统计，结果如图8所示。从图8可看出，卸压后日微震事件能量均小于104J，其中10～102J、102～103J及103～104J微震事件分别占比34%、46%及19%，无大能量(大于104J)微震事件发生。

图8 工作面卸压后日微震事件能量分布Fig.8 Energy distribution of microseismic events in working face after pressure relief

工作面卸压后周期来压变化曲线如图9所示。从图9可看出，工作面回采推进到见方构造区域时，顶板周期来压步距基本在15 m以内。周期来压步距缩短，顶板垮落及时，减弱了顶板悬顶积聚的弹性能，降低了顶板断裂提供的动载荷，冲击危险性减弱。

图9 工作面周期来压变化曲线Fig.9 Periodic weighting changes curve of working face

4 结论

(1) 见方构造区的冲击危险性较高，断层及褶曲分别影响待开采煤层的连续性及变形特征，致使构造应力异常，上覆岩层压力伴随工作面开挖逐渐向煤层转移，区域内集中静载荷显著上升，工作面回采过程中见方效应致使顶板活动频繁，导致较高水平的集中动载荷，两者耦合作用下的区域冲击危险性极大。

(2) 在见方构造区的不同层位实施顶板预裂爆破可削减巷道围岩远场集中动载荷影响，在帮部实施大孔径钻孔卸压、底板实施大孔径钻孔+爆破卸压技术，可减弱巷道围岩近场集中静载荷的影响。

(3) 以胡家河煤矿401111工作面为工程背景的见方构造区冲击地压防治效果良好，卸压后工作面的微震事件能量均小于104J，且来压步距缩短至15 m以内，可为同类型矿井条件的冲击地压防治提供参考。