深部矿井冲击地压防控技术研究

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：针对131102综放工作面回采期间冲击地压危险性大、安全风险高等问题，在分析冲击地压主控因素及发生判据基础上，提出通过静载、动载卸压方式进行冲击地压防控，并进行工程应用。具体通过巷道底板大直径钻孔、巷帮大直径钻孔及巷帮爆破方式实现静载卸压；通过深孔爆破实现顶板坚硬砂岩预裂方式进行动载卸压。降低采空区顶板悬空面积及垮落时应力显现程度；依据131102综放工作面现场开采条件，对采取的冲击地压防控措施进行详细分析。工程应用后，131102综放工作面冲击地压危险性明显降低，现场取得较好应用效果。

　　关键词：深部开采；冲击地压；卸压；防控措施

　　冲击地压灾害对煤炭回采、巷道掘进带来较大威胁，同时给井下工作人员身体健康带来较大影响［1］。针对矿井开采地质条件针对性地提出冲击地压防控技术措施显得尤为重要，为此，众多学者及工程技术人员对冲击地压防控问题展开研究，其中刘文超等［2］针对红庆河矿3-1103工作面回采期间冲击地压灾害孕育-灾变机理进行分析，并提出冲击地压防控技术，发现工作面回采时区段煤柱、采空区及顶板岩层结构是冲击地压灾害主控因素，从降低应力集中、切断冲击力源、阻隔高应力传递等方面进行冲击地压灾害防控；赖敏等［3］对原子沟矿102001工作面在深部回采期间面临环境复杂、冲击地压灾害影响大等问题进行分析，并从增大巷帮卸压孔深度、水力压裂卸压、改变底板卸压孔布置方式进行卸压，工程应用后在卸压解危方面效果显著；李艳增等［4］针对深部开采矿井受瓦斯、火灾、冲击地压等灾害耦合影响特点进行分析，提出应用顺层长钻孔、水力压裂、水力割缝、煤层阻化等手段进行灾害综合方式，实现煤层卸压、瓦斯高效预抽等效果，实现多灾害协同防治；陈涛等［5］针对深部开采巷道容易诱发冲击地压问题，采用理论分析、数值模拟手段对卸压钻孔周边应力分布、影响范围进行分析，并给出卸压孔直径、深度、间距、布置形式等对卸压效果影响，研究成果为卸压钻孔参数设计提供参考。文中就在借鉴以往研究成果基础上，以东部地区某深部开采矿井冲击地压防控为工程背景，对现场采取的冲击地压防控技术措施进行分析，以期为其他深部开采矿井冲击地压灾害治理工作开展提供经验借鉴。

　　1工程概况

　　东部地区某煤矿采用立井开拓，矿井生产时间超过60a，现阶段已进入深部开采区。矿井现阶段主采13#煤层，煤层埋深在800~860m、均值为828.26m，煤厚均值为10.57m，倾角3。～11。，顶底板以泥岩、细粒砂岩、粗粒砂岩等为主，顶板岩层较为坚硬。13#煤层埋深较深，经鉴定煤层、顶板、底板冲击倾向性分别为强冲击、弱冲击、无冲击。

　　13#煤层131102综放工作面设计推进长度为1225m、倾向斜长为260m，采面东侧为盘区开拓大巷、西侧为盘区边界，南侧为回采完毕的131101采空区、北侧为圈定的131103工作面（其中已完成回风巷掘进），具体采面布置情况见图1所示。

　　2冲击地压主控因素及发生判据分析

　　2.1冲击地压主控因素

　　结合现场地质条件、生产安排等确定131102综放工作面冲击地压主控因素为：

　　①矿井回采的13#煤层具有强冲击倾向性，煤层具有冲击倾向性是冲击地压发生的前提条件之一，而冲击倾向性越强则表明冲击地压发生可能性越大。

　　②回采煤层埋深较大，13#煤层埋深超过矿井所在区域冲击地压临界深度，采掘活动受地应力影响明显，巷道围岩长期处于高应力状态。

　　③在131102综放工作面回采范围内有断层、褶曲等构造，在构造应力、地应力等作用下煤岩体内集聚有大量的弹性能。

　　④13#煤层上覆存在有厚度较大的坚硬顶板，在顶板破断期间矿压显现明显，同时煤炭回采期间容易出现顶板大面积来压或者顶板垮落诱发冲击地压情况。

　　2.2冲击地压发生判据分析

　　以131102综放工作面回采巷道所在区域现场地质条件、煤柱留设情况等为背景，考虑地应力、采掘扰动等静载、动载叠加影响。为简化冲击地压应力计算时，将矩形巷道简化成圆形巷道。结合弹性力学理论得知，当圆形巷道位于σ1=γh的均匀应力场中时，与巷道中心相距r（r≥巷道半径r1）位置处切向应力、径向应力σr、σθ可分别通过下述公式表达：

　　应力波在围岩中传播时会有衰减，设定衰减指数为η,巷道围岩支护强度为σz，则巷道围岩承载小结构外表面位置B处的应力σB可用下述公式表示：

　　式中：a、b均为常数，D为围岩损伤系数，d为动应力与巷道中心距离。

　　动静载荷作用到巷道支护体上的应力可用下述公式表示：

　　在冲击载荷作用下，当围岩支护结构受到的冲击力σ>σz时，围岩支护体会出现失效问题。现阶段矿井巷道常用的冲击地压防控措施包括有强化围岩支护、卸压解危等方式。若仅强化围岩支护强度σz，而不进卸压解危措施，巷道围岩仍会出现动态破坏。因此，在巷道冲击地压防控时应综合考虑围岩支护强度、围岩能量集聚范围及应力波传播，通过增大围岩损伤与承载结构半径可起到抑制甚至消除冲击地压灾害作用。

　　3冲击地压防技术

　　结合冲击地压主控因素以及发生判据分析结果，冲击地压灾害是动载、静载综合作用结果，同时由于131102综放工作面埋深较深、顶板坚硬，因此现场采用的冲击地压防控技术措施应能做到静载、动载分源防控。具体措施包括：①静载荷卸压：对巷道周边煤岩体进行弱化，降低应力集中程度并释放集聚的能量，使得围岩应力集中位置向岩体深部区域转移；②动载荷卸压：削弱工作面采空区顶板破断、垮落等动载能量，降低动载对煤岩体作用效果。

　　3.1静载荷卸压

　　静载荷卸压核心是释放围岩集聚能量、将高应力向围岩深部转移，避免应力集中及弹性能集聚。结合131102综放工作面现场情况，提出采用煤层爆破卸压大直径钻孔卸压方式进行静载荷卸压。

　　3.1.1煤层爆破卸压

　　在131102综放工作面回采巷道内向地质构造发育区、高应力集中区等冲击地压灾害危险区布置爆破卸压钻孔，具体钻孔布置见图2所示。钻孔开孔位于巷道底板上方1.5m处，钻孔孔径42mm、仰角5。、孔深11m、间距4m，采用黄泥封孔，封孔深度为5.5m。钻孔孔底5.5m范围内装入18~22节规格φ32mm×200mm×200g的煤矿专用三级乳化炸药，采用正向装药方式，每个钻孔装2节雷管。

　　3.1.2钻孔卸压

　　（1）底板大直径钻孔卸压

　　在131102综放工作面回采巷道内施工底角大直径钻孔，钻孔布置见图3所示。钻孔孔径为153mm、间距600mm、孔深10m，倾角45。，钻孔钻进后用黄泥封孔，封孔深度为1m。

　　（2）巷帮大直径钻孔

　　在131102综放工作面回采巷道内施工巷帮大直径钻孔，钻孔孔径为153mm、间距700mm、孔深25m、仰角0。～3。，钻孔钻进完成后使用黄泥封孔，封孔深度为3m，钻孔开孔位于底板上方1.5m处。具体布置形式见图4所示。

　　3.2动载荷卸压

　　为减少坚硬顶板垮落对131102综放工作面动载显现影响，采用深孔爆破方式弱化坚硬顶板，实现覆岩及时垮落，降低矿压显现强度。具体131102回风巷内爆破钻孔布置情况见图5所示，爆破孔间距10m，钻孔直径75mm、深度为40m、封孔深度为15m。

　　3.3冲击地压防控效果分析

　　现阶段131102综放工作面已顺利推进超过260m，采面生产期间共监测到1852次微震时间，未发现有能量大于1×104J及以上的微震事件，其中有49次微震事件能量介于1×103J至1×104J、453次微震事件能量介于1×102J至1×103J、1350次微震事件能量小于1×102J。而邻近的131101综放工作面（未针对性采取冲击地压立体防控措施）同期回采共监测到微震事件为3195次，其中356次微震事件能量大于1×104J、722次微震事件能量介于1×103J至1×104J、997次微震事件能量介于1×102J至1×103J、1120次微震事件能量小于1×102J。

　　综合比对131102综放工作面与邻近的131101综放工作面（未针对性采取冲击地压立体防控措施）微震事件监测结果发现，131102综放工作面采用冲击地压防控措施后，煤炭回采期间冲击地压危险性得以显著降低，防控措施效果显著。

　　4总结

　　131102综放工作面存在开采深度大、煤层顶板岩层坚硬且厚度大、开采煤层具有冲击倾向性等特点，工作面推进期间容易出现冲击地压问题，进而影响采面煤炭安全高效回采。在综合分析冲击地压主控因素及发生判据基础上，提出以卸压为主的冲击地压灾害防控措施，具体通过大直径钻孔、煤层爆破方式降低静载影响，通过煤层顶板爆破弱化方式降低顶板垮落引起的动载影响。对131102综放工作面冲击地压防控技术应用效果进行综合分析，发现采用的冲击地压防控措施效果显著，可显著降低工作面冲击地压危险性。

　　参考文献

　　［1］张小华，张楠楠，卢泰宏.矿山地压在线监测系统构建研究与实例［J］.中国矿山工程，2019，48（5）：71-74.

　　［2］刘文超，赵毅鑫.红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治［J］.矿业科学学报，2023，8（6）：803-816+827.

　　［3］赖敏，陆泽淋，张璐.深部工作面冲击地压组合卸压参数优化实践研究［J］.山西煤炭，2023，43（3）：74-81.

　　［4］李艳增，周睿.冲击地压煤层复合多灾协同防治技术及应用［J］.煤矿安全，2023，54（6）：90-96.

　　［5］陈涛，阮学云，王襄禹，等.钻孔卸压防治冲击地压影响因素分析［J］.煤炭技术，2023，42（1）：119-123.

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