厚硬岩层结构突变及煤柱失稳阶段

厚硬岩层结构突变及煤柱失稳阶段

栗保华杨守振

——冲击地压防治分析与实践

山东省滕东生建煤矿山东枣庄277522

摘要：针对具有巨厚岩层的冲击地压矿井，巨厚岩层作为矿井覆岩的主关键层，其稳定性关系到整个采场的安全。滕东煤矿经对109工作面巨厚岩层运动规律研究，结合现场监测围岩动态变化和煤体应力发展情况，判断出了巨厚岩层突变与煤柱失稳因素，确定了冲击地压防治要点，实施了高危阶段的多样性治理措施，实现了工作面临空断层煤柱区的防冲安全。

关键词：厚硬岩层；结构突变；煤柱失稳；冲击地压；防治

滕东煤矿首采区3下109工作面为第三个接续面，轨道顺槽因临空沿走向DF9断层影响，距开切眼260米至停采线留有5-34米厚度不等的煤柱，在工作面采至此区域时，正是工作面进入二、三次见方阶段，开采导致上覆巨厚砾岩层处于运动明显结构突变状态，断层煤柱因支承压力影响应力集中，受压有失稳倾向，如不及时采取有效的治理措施，有可能会发生矿震或冲击地压动力灾害。经动压分析研究，采取“强监测、强卸压、强支护、强防护”四强综合防治措施，实现了科学、有效的冲击地压防治，取得了深井冲击地压综合治理的丰富经验。在枣矿集团托管矿井中尚数首例。

1工程概况：

山东省滕东煤矿首采区煤层纯煤厚3.5～8.0m，平均厚度5.27m；煤层倾向NE，倾角2～7°；顶板关键岩层分布情况见表1所示，依据关键层理论[6]可知，在顶板弯曲下沉带中70m厚砾岩层为该矿的主关键层，其稳定情况将影响采场的矿压分布和地表沉陷。

3下109工作面，为首采区第三个工作面，工作面长150m，走向推进距离约700m，工作面平均采深已达950m，属于深井开采。煤层和顶板具有强冲击倾向性，工作面西侧为3下107（宽度130m）和3下105（宽度120m）采空区，东侧为实体煤。在顺槽掘进过程中，随着DF9断层的揭露，受宽缓断层带及落差条件影响，107工作面采空区与109工作面之间留有5～35米不等宽度的断层煤柱，掘进施工中压力显现明显并伴有强动压显现。

详细布置情况如图1所示，DF9断层如图2所示。

表1一采区顶板关键岩层分布情况

图1一采区工作面布置平面图

2巨厚岩层断裂前后采场冲击动态分析

由于煤体发生冲击地压会受到内外应力场因素的影响，在巨厚岩层断裂前后采场有可能形成自发型或矿震诱发型冲击地压，必须加强实施顶板运动状态分析与研究。在巨厚岩层稳定前应用高精度微震系统动态分析顶板活动规律，判断围岩活动范围及巨厚岩层稳定发展趋势；同时在临场应用应力监测系统，实时分析采场围岩应力场变化范围和发展趋势，综合判定采场冲击地压危险程度。

2.1冲击地压监测预警技术应用

冲击地压矿井在开采前，应根据地质因素和开采因素模拟开采过程评价冲击危险性，划定工作面冲击危险区域及程度，结合采场制定针对性的监测方案，如图5所示。在3下109工作面两顺槽各布置四个微震测点，间距为50m；同时两顺槽各布置10组应力测点，测点间距25m，每组两个测点深度为8m、14m。

（1）高精度微震动态监测顶板活动规律

在开采中出现明显的事件数量、能量的异常变化阶段均能说明顶板断裂或发展的阶段变化。109工作面2014.12.1～2015.1.17微震事件平、剖面分布如下图2：

图2巨厚岩层稳定性高精度微震监测数据分析图

岩层运动规律和特点：煤柱上方集中，工作面前方发展变慢，超前支承压力影响距离在120米范围为主，应用微震事件分析覆岩结构要点：

①事件在平面分布超前范围及发展规律

随着开采的增加，事件超前发展变慢，形成明显的破裂集中带，表明顶板结构出现明显的支撑区，即形成坚硬顶板结构。

②事件在剖面分布高度及发展规律

随着采空区范围的增大，顶板断裂高度主要集中在砾岩层位以下，并不断出现高度增加趋势，重点关注砾岩层位事件。

③事件在高度危险区分布特征

在轨顺煤柱区上方出现微震事件集中，表明煤柱对顶板形成支撑结构，且发生应力集中，形成了剪切型高度冲击危险区。

（2）应力在线监测围岩应力场发展趋势

由应力在线监测系统多组预警数据分析可知，轨道顺槽前方80m-100m范围内煤体出现大面积来压，煤柱区压力上升尤为明显。109轨道巷煤柱区煤柱及面内侧煤体预警曲线（如下图3a、3b）。

图3b109轨道巷煤柱区面内侧第6组2015.1.10-2.20曲线

（3）地表沉陷、现场煤柱区巷道变化及动压显现状况

①分析相邻3下107和3下105两个工作面回采后地表沉陷特征，最大沉降量仅为0.28m。统计微震波及砾岩层的事件亦少，说明巨厚砾岩层未发生明显断裂。但已经形成弯曲下沉，导致采空区两侧的实体煤支撑区域形成高静应力集中。但随着109工作面开采，进入二、三次见方后，地表沉陷深度明显增大达到0.79m，说明巨厚岩层有分层垮落现象。

②109工作面轨道顺槽煤柱区现场情况：巷道顶板下沉、底板鼓起、帮部收缩，轨道顺槽断面由3.2×4=12.8m2收缩至1.8×3.2=5.76m2；煤炮频繁，锚杆、锚索绷断，动压明显。说明煤柱受压明显应力集中，有失稳倾向。

（4）综合分析判断巨厚岩层突变与煤柱失稳因素

经微震与应力分析、结合地表沉陷和现场情况，总结巨厚岩层突变与煤柱失稳因素有：

?工作面采深950m，巨厚砾岩层未发生明显断裂。但已经形成弯曲下沉，处于未充分采动状态，导致采空区两侧的实体煤支撑区域形成高静应力集中。自重与采动应力以及侧向支承压力耦合诱发煤柱失稳发生冲击。

?轨道巷煤柱较宽区域（34m）易形成支撑顶板结构，尤其是距离DF9断层大于5m的煤柱影响区域，受强剪切型断层带滑移与采动耦合诱发煤柱失稳发生冲击。

③工作面进入280米至320米二次见方、410米至450米三次见方期间（如图2、3所示），因采宽增大支承区域变小，上覆巨厚砾岩层达到运动峰值状态，突然断裂后引起矿震或矿震诱发冲击。

④34m宽煤体在采空区内形成独立支撑煤柱时，上覆巨厚砾岩层运动突然断裂或滑移，迫使采空区内孤岛煤柱失稳，诱发煤柱型冲击。

2.2冲击地压防治要点分析

基于上述巨厚岩层稳定性与冲击地压发生机理和监测预警技术应用的研究结论，总结该地层条件下不同冲击地压类型的防治要点如下。

（1）将煤体和巷道围岩作为重点治理对象。

（2）工作面推采至煤柱危险区域对不同类型、不同危险程度情况采取不同卸压标准。

（3）针对现场情况确定采取“强卸压、强支护、强监测、强防护”和控制推采速度等综合治理措施。

3煤柱高度危险区防治方案

3.1科技化强监测

充分利用高科技防冲监测设备，加密监测，实施24小时不间断监测超前预测预报，指导冲击地压治理。

（1）煤柱区应力监测：

用于分析煤柱应力集中时间、范围和程度，判断其稳定性。轨道巷断层煤柱区加密布置安装5组单通道实时应力在线监测（如下图4），组距20米，孔高度距离底板1.0-1.5米，监测孔深度至断层岩石。

高精度围岩动态监测：

及时提供围岩动态变化情况，利于研究巨厚岩层结构突变规律。检波器间距50m，每条顺槽布置不少于4个检波器，安装在顶部锚杆上。布置情况如图5所示。

图5高精度微地震监测检波器布置示意图

3.2多元化强卸压：

实施多元化卸压方式控制或减缓应力集中：超前工作面200米卸压、预警区及应力集中区解危和二次卸压、留底煤区断底爆破、煤柱应力集中区爆破。

（1）在保证超前工作面200m卸压保护带的基础上，对监测到的预警点和应力集中区域，及时进行二次卸压解危，必要时实施爆破卸压。面内侧卸压孔直径110-150mm、孔深25米、距底板高度1-1.5m、垂直煤壁；煤柱宽度超过10m的施工卸压孔，以打到断层岩面为准。

（2）留底煤区大于1m断底爆破。

轨道巷对留底煤区域，实施底板大直径钻孔卸压断底，并对断底孔实施注水，破坏底煤的整体性。断底参数：孔组距3米，每组打3个卸压孔，巷中1个卸压孔，距离左右帮1米各施工1个卸压孔，卸压孔须打到底板岩石。

（2）煤柱松动爆破：

对轨道巷宽煤柱区及对应面内侧实施深孔松动爆破，降低应力集中程度。爆破孔间距3m，孔口距底板1-1.2m，钻孔直径42-45mm，孔深度以见岩石为准。孔深小于5米，不实施爆破。爆破孔用水冲净孔内煤粉。

3.3多方式强支护

（1）煤岩交界处强支护

支护方式：①煤岩交界支护范围内，靠巷道的中部打双排点柱，靠巷道两帮侧打双排点柱加强支护，采用单体支柱配合1m长的“一”字顶梁一梁一柱进行支护，沿巷道走向每隔5m布置一根槽钢，槽钢两侧分别开4个切口，使一字梁可嵌入槽钢内，中间两排点柱间距不小于1200mm，排距为1000（±50）mm使用拉杆固定链接，每4棵单体利用防倒拉杆连成一体（如图6）。

图6煤岩交界区域支护示意图

②底板松软时，支柱应穿柱鞋，钻底小于100mm，钻底大于100mm时穿直径为350mm的铁鞋进行支护。

③为防止炸帮，在顺槽两侧每隔1m向巷帮打1根锚索，压住巷帮钢带，锚索直径为22mm，长度8m，锚索距离底板高度为1.5m。

（2）断层破碎带强支护

支护方式：①轨道顺槽280-430m范围内（上图红色区域），巷道靠近采空区一侧为断层下盘煤层底板，在此帮中部向断层构造区倾斜向上补打直径22mm锚索，锚入基岩深度不小于1.5m，两锚索托板紧压住巷帮钢带。同时，向顺槽断层侧底板方向倾斜向下补打2.2m的锚杆，具体参数见下图7。

图7轨道顺槽断层破碎带支护示意图

3.4多样性强防护

对高危区采取综合强防护措施，确保了施工人员安全。

措施有：超前工作面150米范围，轨、运两顺槽实施锚索（锚杆）铁丝系留防崩、巷道实施帮部和顶部补强双抗网配合菱形网防护、支护薄弱区域加强临时点柱支护、强化限员封闭管理、危险区域物料设备摆放固定质量标准化管理、卸压解危使用防护网挂警戒牌等综合防护措施。

4结论

根据对巨厚岩层运动规律理论研究，结合现场监测围岩动态变化和煤体应力发展情况，确定了厚硬岩层结构突变及煤柱失稳阶段的多样性治理措施，经临场实施，充分保证了厚硬岩层结构突变及煤柱失稳阶段，不同冲击地压类型下防治措施的有效性，通过治理避免了约80万元的经济损失，实现了109工作面临空断层煤柱区的防冲安全；同时丰富和发展了深井复杂地质条件下，厚硬岩层结构突变及临空煤柱失稳高危阶段冲击地压治理的内涵，取得了丰富经验，对于同等深井采煤地质条件下的开采技术具有借鉴意义。