文家坡矿4105 工作面冲击地压防治措施研究

翟恒玉 翟恒杰

（陕西彬长文家坡矿业有限公司，陕西 咸阳 713500）

煤矿冲击地压是采场应力剧烈变化、能量积聚、耗散和突然释放的动力学过程，孕灾和致灾机理复杂、影响因素众多。如何准确分析冲击地压机理，定量识别煤岩体结构失稳灾变的前兆信息，揭示煤矿冲击地压孕育机制，形成适合煤矿自身地质和开采条件的预警与防治技术，是保障煤矿安全生产的重大课题。诸多学者对此进行了大量的科学研究，并取得了丰富的成果。

史锐、刘亮[1-2]等采用大直径钻孔卸压提前对工作面两巷进行预裂爆破卸压，已在诸多矿井得到很好的证明，效果较为明显。简军峰等[3]通过调研彬长矿业公司5 对矿井的防冲问题，从开拓布局、开采解放层、合理确定工作面开采顺序、留设煤柱、采煤工作面长度、采掘速度、采煤方法、支护方式、微震监测和水力压裂10 个方面提出了对策建议。杨琛等[4]采用微震监测系统作为区域监测手段，并在迎头及帮部进行钻屑法监测，同时实施大直径长钻孔卸压，并对贯通时期的人员及物料管理制定了防护措施。

针对文家坡矿强矿震、冲击地压机理复杂、影响因素繁多导致灾害突发性大、治理工程缺乏针对性的实际问题，本文以文家坡矿4105 工作面为工程背景，分析了4105 工作面布置、地质构造以及煤层顶底板情况，研究了工作面冲击主控因素与诱发机理。据此，提出了针对4105 工作面煤体、顶板及底板有冲击危险区域的具体防治措施。

1 工作面概况

1.1 工作面布置情况

4105 工作面位于41 盘区，东临4104 回采工作面，西接4016 设计工作面，南依41 盘区开拓大巷，北靠红岩河保护煤柱。工作面煤层埋深536.4～778.9 m，运顺标高+471～+377 m，回顺标高+459～+378 m，走向长度2873 m，倾向长度200 m。采用走向长壁综合机械化智能化放顶煤方法开采，工作面两巷布置分别为4105 工作面回风巷、4105 工作面带式输送机巷，4106工作面回风巷作为4105工作面泄水巷，如图1。

图1 4105 工作面布置示意图

1.2 地质构造

（1）褶曲

根据文家坡地质精查报告、三维地震勘探以及地质实测资料综合显示，路家-小灵台背斜位于该工作面南部，背斜轴部走向约48°，南翼地层向北0.5°～5°上坡，北翼地层向北0.5°～5°下坡，轴部地层抬高，两翼地层宽缓；南玉子向斜穿过工作面北部及切眼，向斜轴部走向76°，南翼地层向北0.5°下坡，北翼地层向北1.5°上坡，轴部地层压低，两翼地层宽缓。

（2）断层

4105 工作面回采期间将依次揭露F26 正断层、F21 正断层，F26 正断层落差为0～1.9 m，F21 正断层落差为4～5.3 m，皆为北东走向，北西倾向。F26正断层仅在4105 回风巷揭露，4105 胶带巷未揭露，判断该断层在工作面内尖灭；F21 正断层穿过整个4105 工作面，向4106 工作面延伸，F21 正断层在4105 工作面内延伸长度为203 m，南北长度为40 m。

1.3 煤层顶底板情况

老顶为粗粒砂岩，厚度3.51～6.10 m，平均厚度4.81 m；直接顶为粗粒砂岩或泥岩，厚度1.30～2.66 m，平均厚度1.98 m。粗砂岩呈灰白色，粗粒砂状结构，成分以石英、长石为主，颗粒次棱角状，分选较差，钙质胶结，致密坚硬；泥岩呈灰褐色、水平层理，具有滑感，见水易碎，致密，断口较平整。

底板为铝质泥岩或泥岩，厚度2.99～6.29 m，平均4.62 m，灰褐色，具水平层理，具有滑感，质软，断口较平整。

2 4015 工作面冲击主控因素与诱发机理研究

2.1 4105 工作面主控因素

（1）坚硬顶板是影响4105 工作面冲击地压的主控因素之一，务必及时落实、加强工作面后续顶板预裂工程。

（2）局部区域由地质（断层、赋存变化等）和开采条件（煤柱、底煤、硐室等）导致的高应力异常，是影响4105工作面冲击地压的主控因素之一。

当二者叠加影响时，危险性最大。

2.2 4105 工作面冲击发生的临界条件

采掘空间周围煤岩体中的地应力、支承压力、构造应力、断层应力等静载荷与采掘工作面生产过程中煤岩体的破裂、顶板岩层的破断运动、断层的活化等产生的矿震形成的动载荷叠加，超过了煤岩体冲击的极限载荷时，矿震动载就有可能诱发冲击地压灾害（如图2）。可用以下公式表示：

图2 冲击地压的“动静叠加原理”示意图

式中：σj为煤岩体中的静载荷；σd为矿震形成的动载荷；σbmin为发生冲击地压时的极限载荷。

根据试验研究，发生冲击地压的极限载荷与煤的单向抗压强度的大小有关。当煤的单向抗压强度RC＞20 MPa 时，煤体发生冲击地压破坏的最小应力水平为50 MPa；煤的单向抗压强度RC＜16 MPa 时，煤体发生冲击地压破坏的最小应力水平为70 MPa；当煤的单向抗压强度RC=16～20 MPa 时，发生冲击地压破坏的最小应力水平为50～70 MPa。

根据《文家坡矿4 煤及其顶底板岩层冲击倾向性鉴定报告》，4#煤试样的单轴抗压强度为21.467～23.775 MPa，平均22.62 MPa。根据试验结果，确定50 MPa 为发生冲击的临界压力。

3 4105 工作面冲击地压防治

3.1 4105 工作面冲击地压防治原则

（1）采取巷道煤层钻孔、爆破卸压及底板卸压等措施降低巷道周边自身应力。

（2）采取顶板预裂措施降低超前支承压力和顶板来压动载应力。

（3）采取监测预警技术及时、准确识别危险区域，对危险区域补强卸压措施。

3.2 4105 工作面冲击地压防治措施

对有冲击危险的区域采取预卸压措施，并及时利用冲击地压监测手段对其监测检验治理效果，确保措施起到降低甚至消除冲击危险的目的。同时对于监测到的有异常矿压显现的区域，经检验具有冲击危险时必须及时采区解危措施。

（1）煤体爆破

对监测到危险异常区域，可在回风、运输顺槽生产帮和煤柱帮侧采用钻机分别补打帮部爆破孔，钻孔间距4 m，开孔位置距巷道底板1.5～2.0 m，钻孔深度为15 m，孔径为75 mm，封孔长度10 m，装药长度5 m，装药量13 kg，如图3。其余参数可参照回风、运输顺槽帮部预卸压煤体爆破孔。对于已实施帮部预卸压煤体爆破孔的位置，煤体解危爆破孔位置应位于原有煤体预卸压爆破孔之间。具体施工位置根据现场施工条件、矿压显现情况进行调整。

图3 帮部卸压孔布置图（m）

（2）顶板爆破

对回风顺槽监测到危险或煤体解危爆破孔未起到应有卸压效果的区域，在回风顺槽原有顶板爆破孔基础上补打顶板解危爆破孔。生产帮侧每组补打1 个顶板爆破孔，爆破孔与煤层层面夹角为45°，钻孔深38 m，保证在一个平面内，孔径为75 mm，间距为20 m；煤柱帮侧每组补打2 个顶板爆破孔，爆破孔与煤层层面夹角为70°、45°，钻孔深度为38 m、50 m，保证在一个平面内，孔径为75 mm，间距为10 m，如图4。其余参数可参照回风顺槽顶板预卸压爆破孔。解危顶板爆破孔位置应位于顶板原有预卸压爆破孔之间，具体施工位置根据现场施工条件、矿压显现情况进行调整。

图4 顶板卸压孔布置图（m）

对运输顺槽监测到危险或煤体解危爆破孔未起到应有卸压效果的区域，在运输顺槽原有顶板爆破孔基础上补打顶板解危爆破孔。生产帮侧每组补打1 个顶板爆破孔，爆破孔与煤层层面夹角为60°，钻孔深度为38 m，孔径为75 mm，间距为20 m，其余参数可参照运输顺槽顶板预卸压爆破孔。顶板解危爆破孔位置应位于原有顶板预卸压爆破孔之间，具体施工位置根据现场施工条件、矿压显现情况进行调整。

（3）底板爆破

对回风顺槽、运输顺槽监测到危险或底板出现异常底鼓的区域补打底板爆破孔。回风顺槽、运输顺槽底板两底角每组布置2 个底角爆破孔，爆破孔与煤层层面夹角为45°，钻孔深度为11 m，孔径为75 mm，钻孔间排距均为5 m，如图5。爆破孔参数可参照留底煤区域底板爆破孔。对于已实施底板爆破孔的位置，解危底板爆破孔位置应位于原有预卸压底板爆破孔之间，具体施工位置根据现场施工条件、矿压显现情况进行调整。

图5 底板卸压孔布置图（m）

通过综合分析矿井地质条件、施工工艺、技术资料，结合现场实际，制定针对有冲击危险的区域采取的预卸压措施，并及时利用冲击地压监测手段对其监测检验治理效果。通过实践，该针对性防治措施能有效解决来压强度过大问题，使得4105 工作面冲击地压危险性显著降低。

表1 爆破卸压前后能量事件及来压强度对比

4 结论

（1）通过对4105 工作面概况的分析，确定了4105 工作面冲击地压主控因素包括：坚硬顶板和局部区域由地质（断层、赋存变化等）和开采条件（煤柱、底煤、硐室等）导致的高应力异常。

（2）依据4#煤试样的平均单轴抗压强度为22.62 MPa，确定了50 MPa 为4105 工作面发生冲击的临界压力。

（3）根据4105 工作面冲击地压主控因素与诱发机理，遵循4105 工作面冲击地压防治原则，制定了4105 工作面冲击地压防治措施。通过实践，该针对性防治措施能有效解决来压强度过大问题，使得4105 工作面冲击地压危险性显著降低。