林 軍，杜濤濤，劉旭東

(1.國家能源集團新疆能源有限責(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余個礦區(qū)100多座礦井，儲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)強度不斷增強，并呈現(xiàn)出不同的沖擊地壓顯現(xiàn)規(guī)律和特點[1]。

急傾斜特厚煤層在開采方法、圍巖移動、變形規(guī)律、采場應(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、評價方法、防治技術(shù)等方面研究的相對較少。閻躍觀等[2]揭示了地表移動變形規(guī)律和圍巖垮落、破壞機理，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地表和臺階錯落下沉為主要特征；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[4-5]采用理論計算和相似模擬試驗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規(guī)律，采用數(shù)值模擬探究了采空區(qū)控頂方式對采場圍巖控制的效果；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)測預(yù)報，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的復(fù)雜性、周期來壓的雙重性、陷落區(qū)的疊加性和動態(tài)性、應(yīng)力場和位移場的不均衡性等規(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)。陳建強等[10-11]提出非均布載荷下的非對稱三鉸拱巷道受力模型，研究了急傾斜煤層巷道變形機理，并修正了綜合指數(shù)評價法內(nèi)5項地質(zhì)因素指標(biāo)，建立了急傾斜特厚煤層沖擊地壓危險性評價模型；藍航[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；曹民遠等[1]確定了近直立煤層沖擊危險評價指標(biāo)，并對評價指標(biāo)進行分級；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行近直立特厚煤層沖擊地壓防治，實踐表明有效降低了煤體的應(yīng)力集中和沖擊危險性。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)域為研究背景，采用PASAT M便攜式微震儀、ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(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)的動靜載荷源辨識，并在此基礎(chǔ)上，開展了煤體爆破和注水控制靜載危險源，地面巖柱處理+井下巖柱處理聯(lián)合控制巖柱動載源實踐，有效降低了近直立特厚煤層沖擊地危險性。

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

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

現(xiàn)場實踐表明，礦井自+522 m水平開始，礦壓顯現(xiàn)明顯變得強烈，尤其在上分層終采線區(qū)域；在+500 m水平、+475 m水平分層，掘進工作面在上分層終采線區(qū)域時，動力效應(yīng)也明顯增強。

2)保護煤柱等“高階段”區(qū)域。早期淺部開采時，形成遺留煤柱；隨著采煤技術(shù)發(fā)展，采用綜合機械化采煤時，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煤柱(里程2 060～2 274 m)等臺階結(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)域時曾發(fā)生沖擊顯現(xiàn)；圖3b為大洪溝防洪渠保護煤柱，在+475 m水平掘進至該區(qū)域時曾發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，實踐表明，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

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)測系統(tǒng)對近直立煤層沖擊地壓致災(zāi)因素進行辨識。

2.1 近直立特厚煤層靜載危險源辨識

煤體靜載沖擊致災(zāi)源辨識采用PASAT-M便攜式微震儀探測系統(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)場實踐，建立了沖擊地壓危險源辨識模型，獲得了沖擊地壓危險性指數(shù)C與沖擊危險分類關(guān)系，見表1。

表1 沖擊地壓危險性分類Table 1 Classification of rock burst hazards

通過PASAT-M便攜微震儀對里程1 380～1 420 m“高階段”區(qū)域進行探測，探測結(jié)果如圖5所示。 由圖5可知“高階段”影響區(qū)域為1 380～1 460 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)域辨識結(jié)果為中等沖擊危險區(qū)域。

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

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

2.2 近直立特厚煤層動載源辨識

采用ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)進行動載荷源辨識，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)測揭示近直立特厚煤層頂板-煤層-底板結(jié)構(gòu)的活動特征，辨識主要誘發(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產(chǎn)生的微震事件，按發(fā)生位置、能量等級進行統(tǒng)計，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以下的能級事件尚未誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)。通過開采期間動態(tài)沖擊地壓危險源辨識，確定了近直立特厚煤層B2-B3煤層間巖柱活動是主要動載源。

如圖7所示，在防洪渠煤柱邊界的“高階段”區(qū)域，+475 m水平掘進工作面距離+500 m水平B3+6煤層原開切眼約40 m，向臺階煤柱與防洪渠保護煤柱區(qū)域掘進期間發(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)生時刻前后一段時間的微震數(shù)據(jù)，制定地震波CT探測方案應(yīng)用PASAT M便攜式微震儀進行探測，開展引起此次沖擊顯現(xiàn)的動載荷與靜載荷源辨識。

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的動載荷影響，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探測技術(shù)開展了臺階煤柱和防洪渠區(qū)域煤體應(yīng)力探測，探測結(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工作面沖擊危險探測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)因素辨識技術(shù)，認為特定區(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)，是主要靜載危險源形成條件；采掘過程圍巖劇烈活動是近直立特厚煤層誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)動載荷源，B2-B3煤層之間巖柱活動是主要沖擊致災(zāi)源。

3 近直立特厚煤層沖擊地壓防治實踐

針對靜載荷源辨識結(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；針對動載荷源辨識結(jié)果，采取井上、井下聯(lián)合弱化巖柱強度的方法控制圍巖的劇烈活動，減弱巖柱活動的動載作用，降低誘發(fā)沖擊的可能性。

3.1 煤體靜載集中控制實踐

以里程1 380～1 420 m“高階段”區(qū)域為例，在+500 m水平B3+6工作面回采至該區(qū)域前，提前對該區(qū)域的煤體進行卸壓處理，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，呈扇形布置，其中每排的①③⑤號炮孔與②④⑥炮孔錯開1 m的間距，共計6排。

3)效果檢驗。“高階段”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 巖柱動載井上、井下聯(lián)合控制實踐

針對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踐。地面巖柱爆破孔布置在里程1 400 m處，共布置4個爆破孔。該位置為特定區(qū)域：五一煤礦保護煤柱邊界及“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施工，傾角90°、直徑300 mm、鉆孔深度分別為1號孔240 m、2號孔248 m、3號孔245 m、4號孔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個爆破孔，每孔平均裝藥11.5 t，共計裝藥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踐。為了有效降低鄰近采掘空間巖柱活動強度，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個扇形孔，傾向方向布置4排孔，分別是5—8排，每排布置2個扇形孔，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。如圖13所示，通過地震波CT探測，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比可知，爆破對改變巖柱應(yīng)力分布、降低應(yīng)力集中程度有明顯效果。

微震監(jiān)測表明，巖柱爆破處理前，日釋放能量達到3.5×107J以上，巖柱活動劇烈，爆破后，日釋放能量明顯降低，低于5×106J，巖柱活動強度有效降低，如圖14所示。

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

4 結(jié) 論

1)基于地震波CT探測技術(shù)，近直立特厚煤層靜載荷源辨識結(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源，易引起煤體局部高應(yīng)力集中。

2)微震監(jiān)測表明，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煤層間巖柱活動是主要動載沖擊危險源。

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)圍巖活動釋放大量能量，在強動載作用下，動靜載疊加誘發(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源，地面巖柱處理+井下巖柱處理多水平聯(lián)合控制巖柱動載源，現(xiàn)場實踐表明采取的控制方法有效降低了煤巖體應(yīng)力集中和圍巖活動強度。