近直立特厚煤層沖擊危險(xiǎn)源辨識(shí)及控制研究

林 軍，杜濤濤，劉旭東

(1.國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000;2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013；4. 天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

0 引 言

我國急傾斜煤層礦井分布在全國20余個(gè)礦區(qū)100多座礦井，儲(chǔ)量約占我國煤炭探明總量的1/5。近直立煤層指煤層傾角為85°～90°，主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、甘肅等地區(qū)。近幾年，近直立煤層沖擊地壓礦井開始增多，沖擊顯現(xiàn)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，并呈現(xiàn)出不同的沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律和特點(diǎn)[1]。

急傾斜特厚煤層在開采方法、圍巖移動(dòng)、變形規(guī)律、采場(chǎng)應(yīng)力分布規(guī)律等方面的研究較多，而近直立特厚煤層沖擊地壓致災(zāi)規(guī)律、評(píng)價(jià)方法、防治技術(shù)等方面研究的相對(duì)較少。閻躍觀等[2]揭示了地表移動(dòng)變形規(guī)律和圍巖垮落、破壞機(jī)理，淺部開采覆巖破壞以陷落和張裂為主要特征，深部開采以離層帶裂隙順層通達(dá)地表和臺(tái)階錯(cuò)落下沉為主要特征；王寧波等[3]獲得了急傾斜特厚煤層巷道圍巖破碎具有分區(qū)分布特征，揭示了急傾斜煤層仰斜開采實(shí)體煤側(cè)和工作面前方均存在應(yīng)力增高區(qū)，采空區(qū)上方為應(yīng)力降低區(qū)；文獻(xiàn)[4-5]采用理論計(jì)算和相似模擬試驗(yàn)研究了急傾斜煤層綜采走向分段膠結(jié)充填覆層變形破斷特性及移動(dòng)規(guī)律，采用數(shù)值模擬探究了采空區(qū)控頂方式對(duì)采場(chǎng)圍巖控制的效果；于貴良等[6]分析了急傾斜特厚煤層水平分段開采的沖擊地壓發(fā)生影響因素，開展了沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，采取了切頂爆破、煤體爆破等卸壓措施；鞠文君等[7-9]揭示了45°急傾斜特厚煤層開采頂板巖層移動(dòng)的復(fù)雜性、周期來壓的雙重性、陷落區(qū)的疊加性和動(dòng)態(tài)性、應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的不均衡性等規(guī)律；建立了沿傾斜方向基本頂懸臂梁斷裂的力學(xué)模型,提出了爆破斷頂?shù)V壓防治技術(shù)。陳建強(qiáng)等[10-11]提出非均布載荷下的非對(duì)稱三鉸拱巷道受力模型，研究了急傾斜煤層巷道變形機(jī)理，并修正了綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法內(nèi)5項(xiàng)地質(zhì)因素指標(biāo)，建立了急傾斜特厚煤層沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型；藍(lán)航[12]建立了急傾斜特厚煤層水平分段開采兩側(cè)采空巖柱的外伸梁力學(xué)模型，提出了“撬桿效應(yīng)”；杜濤濤等[13]揭示了應(yīng)力異常和“誘沖關(guān)鍵層”是近直立特厚煤層的沖擊地壓主要致災(zāi)因素；曹民遠(yuǎn)等[1]確定了近直立煤層沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)；孫秉成等[14]采取頂板深孔預(yù)裂爆破、煤體注水與煤體卸壓爆破方法進(jìn)行近直立特厚煤層沖擊地壓防治，實(shí)踐表明有效降低了煤體的應(yīng)力集中和沖擊危險(xiǎn)性。近直立特厚煤層由于賦存條件特殊，且近些年才開始出現(xiàn)沖擊地壓災(zāi)害，因此研究仍相對(duì)較少，尚有很多需要深入研究的問題。

以烏東煤礦南區(qū)近直立特厚煤層特定區(qū)域?yàn)檠芯勘尘埃捎肞ASAT M便攜式微震儀、ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合案例開展近直立特厚煤層特定區(qū)域沖擊地壓致災(zāi)的動(dòng)靜載荷源辨識(shí)，并在此基礎(chǔ)上，開展了煤體爆破和注水控制靜載危險(xiǎn)源，地面巖柱處理+井下巖柱處理聯(lián)合控制巖柱動(dòng)載源實(shí)踐，有效降低了近直立特厚煤層沖擊地危險(xiǎn)性。

1 工程概況

1.1 礦井概況

烏東煤礦南區(qū)主采煤層為B1+2煤層和B3+6煤層，兩煤層間巖柱從西向東逐漸變薄，巖柱厚度在53～110 m，平均厚度79.53 m。B1+2煤層平均厚度37.45 m，直接頂為粉砂巖及砂質(zhì)泥巖，直接底為粉砂巖。B3+6煤層位于B1+2煤層北部，煤層平均厚度48.87 m。直接頂和直接底巖性均為粉砂巖。兩煤層平均傾角87°，屬近直立特厚煤層，地面標(biāo)高為+850 m，回采水平標(biāo)高為+500 m，掘進(jìn)工作面標(biāo)高為+475 m，如圖1所示。

圖1 +475 m水平工作面布置Fig.1 Working face layout in +475 m horizontal

1.2 特定區(qū)域沖擊顯現(xiàn)頻發(fā)

1)分層石門保護(hù)煤柱邊界區(qū)域。不同水平分層的終采線以外錯(cuò)方式留設(shè)，不同分層石門保護(hù)煤柱形成典型的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 煤柱臺(tái)階結(jié)構(gòu)Fig.2 Step structure of coal pillar

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，礦井自+522 m水平開始，礦壓顯現(xiàn)明顯變得強(qiáng)烈，尤其在上分層終采線區(qū)域；在+500 m水平、+475 m水平分層，掘進(jìn)工作面在上分層終采線區(qū)域時(shí)，動(dòng)力效應(yīng)也明顯增強(qiáng)。

2)保護(hù)煤柱等“高階段”區(qū)域。早期淺部開采時(shí)，形成遺留煤柱；隨著采煤技術(shù)發(fā)展，采用綜合機(jī)械化采煤時(shí)，原上方小煤窯井田邊界就形成了殘留煤柱，煤柱高度大于分段高度的區(qū)域，稱之為“高階段”。

由于歷史開采原因，形成了原五一煤礦(里程980～1 358 m)、大梁煤礦(里程1 215～1 530 m)以及大洪溝防洪渠保護(hù)煤柱(里程2 060～2 274 m)等臺(tái)階結(jié)構(gòu)，圖3a為原五一煤礦邊界區(qū)域遺留煤體形成的高階段區(qū)域，在+500 m水平開采至該區(qū)域時(shí)曾發(fā)生沖擊顯現(xiàn)；圖3b為大洪溝防洪渠保護(hù)煤柱，在+475 m水平掘進(jìn)至該區(qū)域時(shí)曾發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，實(shí)踐表明，上述特定區(qū)域易發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)。

圖3 礦井“高階段”結(jié)構(gòu)Fig.3 Coal mine "high stage" structure

2 近直立煤層沖擊地壓致災(zāi)因素辨識(shí)

為研究特定區(qū)域沖擊地壓發(fā)生原因及致災(zāi)因素，采用PASAT-M便攜式微震儀、ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)近直立煤層沖擊地壓致災(zāi)因素進(jìn)行辨識(shí)。

2.1 近直立特厚煤層靜載危險(xiǎn)源辨識(shí)

煤體靜載沖擊致災(zāi)源辨識(shí)采用PASAT-M便攜式微震儀探測(cè)系統(tǒng)，如圖4所示，包括記錄手持電腦、采集主站、分站、電池、連接線。

圖4 PASAT-M系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 PASAT-M system structure

通過理論研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，建立了沖擊地壓危險(xiǎn)源辨識(shí)模型，獲得了沖擊地壓危險(xiǎn)性指數(shù)C與沖擊危險(xiǎn)分類關(guān)系，見表1。

表1 沖擊地壓危險(xiǎn)性分類Table 1 Classification of rock burst hazards

通過PASAT-M便攜微震儀對(duì)里程1 380～1 420 m“高階段”區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果如圖5所示。 由圖5可知“高階段”影響區(qū)域?yàn)? 380～1 460 m，該區(qū)域煤體應(yīng)力分布異常，形成高應(yīng)力集中，該區(qū)域辨識(shí)結(jié)果為中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

圖5 “高階段”沖擊地壓危險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果Fig.5 Identification results of “high stage” rock burst hazard

根據(jù)靜載沖擊致災(zāi)辨識(shí)方法，認(rèn)為近直立煤層特定區(qū)域形成了高應(yīng)力集中，沖擊地壓危險(xiǎn)性高，容易發(fā)生沖擊顯現(xiàn)。

2.2 近直立特厚煤層動(dòng)載源辨識(shí)

采用ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)載荷源辨識(shí)，系統(tǒng)包括地面和井下兩部分，如圖6所示。

圖6 ARAMIS M/E系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 ARAMIS M/E system structure

通過微震監(jiān)測(cè)揭示近直立特厚煤層頂板-煤層-底板結(jié)構(gòu)的活動(dòng)特征，辨識(shí)主要誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)的巖層及層位。

近直立特厚煤層開采過程中圍巖活動(dòng)產(chǎn)生的微震事件，按發(fā)生位置、能量等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明： 70.4%的能量事件發(fā)生在巖柱，18.5%發(fā)生在B1底板，9.3 %發(fā)生在B6頂板，1.8%發(fā)生在煤層中；礦井0.7%的高能量事件的誘發(fā)過沖擊顯現(xiàn)，誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)的微震事件能級(jí)一般大于106J，且主要發(fā)生在B2-B3煤層之間的巖柱，106J以下的能級(jí)事件尚未誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)。通過開采期間動(dòng)態(tài)沖擊地壓危險(xiǎn)源辨識(shí)，確定了近直立特厚煤層B2-B3煤層間巖柱活動(dòng)是主要?jiǎng)虞d源。

如圖7所示，在防洪渠煤柱邊界的“高階段”區(qū)域，+475 m水平掘進(jìn)工作面距離+500 m水平B3+6煤層原開切眼約40 m，向臺(tái)階煤柱與防洪渠保護(hù)煤柱區(qū)域掘進(jìn)期間發(fā)生了1起沖擊地壓顯現(xiàn)。

圖7 +475 m水平B6巷道沖擊顯現(xiàn)位置Fig.7 Level of +475 m B6 roadway rock burst location

為辨識(shí)本次沖擊地壓致災(zāi)因素及參與載荷源，分別調(diào)取沖擊發(fā)生時(shí)刻前后一段時(shí)間的微震數(shù)據(jù)，制定地震波CT探測(cè)方案應(yīng)用PASAT M便攜式微震儀進(jìn)行探測(cè)，開展引起此次沖擊顯現(xiàn)的動(dòng)載荷與靜載荷源辨識(shí)。

微震數(shù)據(jù)分析表明，沖擊顯現(xiàn)前后各1 h，圍巖未產(chǎn)生能量大于103J以上微震事件，反映了本次沖擊過程不受圍巖突然活動(dòng)的動(dòng)載荷影響，并由此推斷主要為特定區(qū)域的靜載荷導(dǎo)致。

沖擊地壓顯現(xiàn)發(fā)生后，采用地震波CT探測(cè)技術(shù)開展了臺(tái)階煤柱和防洪渠區(qū)域煤體應(yīng)力探測(cè)，探測(cè)結(jié)果如圖8所示，揭示了在+475 m水平工作面里程2 000～2 060 m臺(tái)階煤柱和防洪渠煤柱影響區(qū)域，曾形成高應(yīng)力集中，從而確定了該特定區(qū)域形成的高應(yīng)力集中是沖擊顯現(xiàn)發(fā)生的主要原因。

圖8 +475 m水平B3+6工作面沖擊危險(xiǎn)探測(cè)Fig.8 Level of +475 m in B3+6 face rock burst hazard detection

綜上，采用近直立煤層沖擊地壓致災(zāi)因素辨識(shí)技術(shù)，認(rèn)為特定區(qū)域煤體具有高應(yīng)力集中特征，廢棄礦井井筒保護(hù)煤柱、老礦井開采遺留煤柱、終采線煤柱等特定空間結(jié)構(gòu)，是主要靜載危險(xiǎn)源形成條件；采掘過程圍巖劇烈活動(dòng)是近直立特厚煤層誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)動(dòng)載荷源，B2-B3煤層之間巖柱活動(dòng)是主要沖擊致災(zāi)源。

3 近直立特厚煤層沖擊地壓防治實(shí)踐

針對(duì)靜載荷源辨識(shí)結(jié)果，采用煤層注水與爆破的方法降低特定區(qū)域煤體高應(yīng)力集中，釋放煤體積聚的能量；針對(duì)動(dòng)載荷源辨識(shí)結(jié)果，采取井上、井下聯(lián)合弱化巖柱強(qiáng)度的方法控制圍巖的劇烈活動(dòng)，減弱巖柱活動(dòng)的動(dòng)載作用，降低誘發(fā)沖擊的可能性。

3.1 煤體靜載集中控制實(shí)踐

以里程1 380～1 420 m“高階段”區(qū)域?yàn)槔?500 m水平B3+6工作面回采至該區(qū)域前，提前對(duì)該區(qū)域的煤體進(jìn)行卸壓處理，避免沖擊地壓發(fā)生。

1)煤層注水。在+500 m水平B3+6煤層里程1 500 m煤門向西側(cè)煤體施工3個(gè)注水孔，注水孔孔徑100 mm，水平角度為10°，孔長152 m，封孔長度20 m，瑪麗散封孔，如圖9所示。注水方式采用動(dòng)壓注水，注水泵泵壓控制在5～10 MPa，直至煤壁出現(xiàn)一定程度的滲水。

圖9 煤體注水孔布置Fig.9 Coal body water injection hole arrangement

2)煤層卸壓爆破。針對(duì)位置里程1 380～1 420 m“高階段”區(qū)域，從+500 m水平B3巷里程1 380～1 400 m巷道北幫垂直于煤壁每隔4 m布置1排?113 mm爆破孔，每排6個(gè)，呈扇形布置，其中每排的①③⑤號(hào)炮孔與②④⑥炮孔錯(cuò)開1 m的間距，共計(jì)6排。

3)效果檢驗(yàn)?！案唠A段”區(qū)域煤體卸壓前，里程1 360～1 460 m波速出現(xiàn)異常，煤體中波速超過3 m/ms，煤體形成高應(yīng)力集中，卸壓后，煤體波速降低至1.8 m/ms，表明煤體卸壓改變了煤體的完整性，降低了煤體應(yīng)力集中程度，探測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖10煤體卸壓效果Fig.10 Coal body pressure relief effect

3.2 巖柱動(dòng)載井上、井下聯(lián)合控制實(shí)踐

針對(duì)B2-B3煤層之間巖柱厚度、高度大、易彎曲產(chǎn)生彈性能積聚、單一水平難有效處理的問題，提出多水平聯(lián)合巖柱處理方法，即“地面巖柱處理+井下巖柱處理”的控制方法。

1)地面巖柱爆破控制實(shí)踐。地面巖柱爆破孔布置在里程1 400 m處，共布置4個(gè)爆破孔。該位置為特定區(qū)域：五一煤礦保護(hù)煤柱邊界及“高階段”區(qū)域，在該區(qū)域?qū)嵤r柱控制具有重要意義。

巖柱地面爆破孔使用潛孔鉆機(jī)施工，傾角90°、直徑300 mm、鉆孔深度分別為1號(hào)孔240 m、2號(hào)孔248 m、3號(hào)孔245 m、4號(hào)孔254 m，每孔裝藥125 m，采用分段裝藥，如圖11所示：Ⅱ段為裝藥段，裝藥長度60 m，V段為裝藥段，裝藥長度60 m，4個(gè)爆破孔，每孔平均裝藥11.5 t，共計(jì)裝藥46 t、Ⅲ、Ⅳ為隔離段，長度5 m，為充填物，Ⅰ為封孔段，封孔長度113 m，采用黃土封孔。

圖11 巖柱地面爆破孔布置Fig.11 Ground blast hole layout of rock pillar

2)井下巖柱弱化控制實(shí)踐。為了有效降低鄰近采掘空間巖柱活動(dòng)強(qiáng)度，在+500 m水平B2巷里程1 355 m處，垂直巷道幫沿巖體傾向施工石門及卸壓硐室。石門長度20 m，斷面積4 m2，卸壓硐室斷面積18 m2。

卸壓硐室分別沿走向和傾向布置扇形孔，走向共布置4排孔，分別是1—4排，每排布置5個(gè)扇形孔，傾向方向布置4排孔，分別是5—8排，每排布置2個(gè)扇形孔，平面布置如圖12所示。

圖12 井下巖柱處理方案Fig.12 Underground rock pillar treatment scheme

3)效果檢驗(yàn)。如圖13所示，通過地震波CT探測(cè)，爆破后巖柱平均波速由3.8 m/ms降低至3.6 m/ms。通過爆破前后波速對(duì)比可知，爆破對(duì)改變巖柱應(yīng)力分布、降低應(yīng)力集中程度有明顯效果。

微震監(jiān)測(cè)表明，巖柱爆破處理前，日釋放能量達(dá)到3.5×107J以上，巖柱活動(dòng)劇烈，爆破后，日釋放能量明顯降低，低于5×106J，巖柱活動(dòng)強(qiáng)度有效降低，如圖14所示。

圖14 爆破前后巖柱活動(dòng)能量Fig.14 Rock pillar energy before and after blasting

4 結(jié) 論

1)基于地震波CT探測(cè)技術(shù)，近直立特厚煤層靜載荷源辨識(shí)結(jié)果表明，特定區(qū)域是近直立特厚煤層主要靜載沖擊危險(xiǎn)源，易引起煤體局部高應(yīng)力集中。

2)微震監(jiān)測(cè)表明，礦井0.7%高能量事件產(chǎn)生沖擊致災(zāi)，70.4%的沖擊致災(zāi)事件發(fā)生在兩煤層之間的巖柱，確定了B2-B3煤層間巖柱活動(dòng)是主要?jiǎng)虞d沖擊危險(xiǎn)源。

3)近直立特厚煤層特定區(qū)域煤體產(chǎn)生高應(yīng)力集中，當(dāng)圍巖活動(dòng)釋放大量能量，在強(qiáng)動(dòng)載作用下，動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)。

4)采用煤體卸壓爆破及煤層注水控制靜載危險(xiǎn)源，地面巖柱處理+井下巖柱處理多水平聯(lián)合控制巖柱動(dòng)載源，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明采取的控制方法有效降低了煤巖體應(yīng)力集中和圍巖活動(dòng)強(qiáng)度。