近距离煤层开采冲击地压防治技术研究

刘 鹏曲延伦刘宝亮

（1.兖州煤业股份有限公司南屯煤矿，山东省邹城市，273500；2.兖州煤业股份有限公司生产技术部，山东省邹城市，273500）

★ 煤炭科技·开拓与开采★

近距离煤层开采冲击地压防治技术研究

刘 鹏1曲延伦2刘宝亮1

（1.兖州煤业股份有限公司南屯煤矿，山东省邹城市，273500；2.兖州煤业股份有限公司生产技术部，山东省邹城市，273500）

南屯煤矿的3上、3下煤层间距2～13 m，3上煤层开采中受巨厚红层初次断裂影响引发强矿震，并诱发采场形成冲击灾害，且在3下煤层开采中仍发生强矿震。分析了开采3下煤层上覆岩层的冒落和移动规律，得出3下煤层采动引发矿震的机理。依据矿震诱发冲击机理，通过采取优化采面开采布局、减小采动对冲击危险区扰动和优化巷道支护体参数等措施，有效地保证了被解放层采场的作业安全，实现了安全开采。

近距离煤层开采 被解放层 巨厚岩层 矿震 冲击地压

煤层群赋存条件下的冲击危险性煤矿，通过开采解放层进行区域防冲，对于相邻煤层的开采能够起到卸压作用，从而降低工作面冲击危险性。南屯煤矿3上煤层与3下煤层距离较近，而其覆岩赋存一层厚度近200 m的坚硬红层，在3上煤层工作面实施了解放层开采后，3下煤层工作面开采时微震监测显示局部集聚大量能量，导致工作面发生冲击。基于动力学理论，煤层上覆坚硬红层是覆岩结构中的主关键层，对工作面直到地表的稳定起到至关重要的作用，受3上煤层与3下煤层工作面多次采动影响，主关键层发生运动、破断，致使工作面发生冲击性矿震。

以南屯煤矿九采区3下煤层工作面开采为例，分析二次采动对上覆巨厚坚硬红层的扰动影响规律，揭示重复开采诱发覆岩主关键层再次运动、破断的机理。基于此，确定3下煤层工作面的应力影响区域、围岩薄弱区和支护结构等，通过优化工作面开采设计方案、改变巷道结构形状、提高巷道支护强度、控制工作面开采速度等措施，有效控制近距离煤层重复开采过程中冲击灾害事故的发生。

1　开采条件

1.1工程概况

南屯煤矿九采区主采3上、3下两层煤，3上煤层工作面作为解放层现行开采，目前3上煤层布置的11个综采工作面已经全部回采结束，3下煤层93下01、93下03、93下05、93下16、93下14、93下12工作面也已回采结束，93下10工作面正在回采。3上与3下煤层工作面编号相对应，同层区段之间留设3～4 m小煤柱，近似无煤柱开采。采区中部留设宽为220 m的煤柱，保护-440 m水平3条准备巷道。九采区煤层采深在491～655 m，平均埋深550 m。3上煤层平均开采厚度约为5.2 m，3下煤层平均开采厚度约为3.2 m，煤层倾角约为5°。3上与3下煤层层间距在2～13 m之间，平均为5.6 m，岩性为粉砂岩，层间距离由采区的东南部向采区的西北部缓慢增加。两层煤具有强冲击倾向，顶板岩层具有弱冲击倾向。九采区3上、3下煤层及顶板岩层分布见图1。

图1　九采区3上、3下煤层及顶板岩层分布

根据关键层理论计算可知，九采区3上煤层以上110 m赋存的厚度200 m的坚硬红层砂岩是主关键层，坚硬砂岩的变形、运动、破断对工作面至地表岩层的运动起到关键作用。

1.23上煤层开采矿震特征及地表沉降规律

在3上煤层工作面开采过程中巨厚红层砂岩断裂形成了不规律的大能量微震事件，尤其是93上08工作面在回采过程中采集到能量在103J以上微震事件140次，其中有27个105J以上的大能量矿震事件。

九采区3上煤层工作面开采结束后，在93上08工作面上方地表形成的最大沉降为1.531 m，地表最大沉降系数为0.29。根据地表沉陷规律分析可知，3上煤层开采后巨厚红层发生初次断裂，由于其位于的弯曲下沉带仅发生了较小的位移运动，3上煤层的开采并未造成巨厚红层砂岩层达到垮落极限。因此，在近距离3下煤层开采中将继续成为上覆岩层的承载主体。

1.33下煤层回采矿震特征

93下12工作面回采期间累计采集到能量103J以上的微震事件27次，其中有3次能量105J以上的大能量微震事件，大能量微震基本分布工作面采空区边缘，这主要是由于采空区边缘非稳定覆岩结构运动所致。

虽然，93下12工作面回采是在其上覆3上解放层工作面回采后进行的，但回采期间能量106J以上事件仍然出现，并在工作面局部位置矿压显现剧烈，如顶板锚索被剪断和拉断、超前单体液压支柱扭曲和折断等现象。

2　冲击地压机理分析

基于上述九采区微震监测信息及矿震特征，九采区3上煤层工作面回采使得上覆岩层的亚关键层破断失稳，低位岩层破断使得其与主关键层发生离层，主关键层内应力急剧增加，一旦发生变形极易破断释放大量能量。3上煤层回采诱发上覆坚硬砂岩破断具有以下规律。

主关键层-巨厚坚硬砂岩在工作面回采过程岩层失稳时释放大量能量，说明该岩层强度高、完整性好，具备积聚能量的能力；而大能量时间分布未表现出明显的规律性，说明该砂岩材料具有非均匀性，导致其破断后块体形状的非均匀性。

3下煤层的采动相对于3上煤层开采时对顶板活动的影响范围增加，增加3.2 m的采空空间，必然引起上覆岩层的二次冒落、破断，诱发高位的关键层砂岩再次运动失稳，产生矿震影响工作面的稳定。

3下煤层工作面回采时，低位岩层冒落后与上覆高位岩层间出现离层空间，关键层达到极限破断强度后岩块破断为两块，岩块间通过水平推力产生的摩擦力克服岩块间的剪切力，一旦水平推力形成的摩擦力小于剪切力，关键层将发生滑落失稳。关键层剧烈运动以动载荷的形式加载到工作面附近岩层导致工作面发生冲击。巨厚坚硬砂岩在释放能量过程中内部裂纹逐渐扩展、连通，在裂纹尖端形成应力集中，一旦大量的剪切裂纹连通将会使砂岩发生二次剪切破断导致矿震发生。

当工作面在采区边缘及保护煤柱附近开采时，采动作用下覆岩破断顶板与周围已经破断后稳定的顶板再次形成非稳定结构，矿压显现范围进一步扩大。关键层在采区边界及煤柱处的支反力等于岩层自重与上覆荷载之和，当3下工作面回采期间使得支反力减小，同时岩层上覆荷载增加，上覆关键层结构需要的水平推力和所需的支反力均达不到原平衡条件所需的量值，故结构发生失稳，向下运动释放能量，极易形成矿震，导致下位亚关键层发生冲击。

3　冲击地压防治技术

根据九采区3下煤层工作面开采诱发矿震的机理分析，上覆坚硬红层砂岩失稳产生矿震将会波及到附近工作面。因此，必须首先需要确定工作面的冲击危险区域，然后进行工作面布局优化和巷道支护设计优化等。根据九采区特殊的开采地质条件和开采经验认为可能的冲击危险区域包括3上煤层采空区边缘高应力区、各种留设煤柱内的高应力区及3下煤层巷道支护强度薄弱部位。

根据确定的危险区域，并结合矿震发生特征进行了工作面开采布局优化、减小开采对冲击危险区扰动和巷道支护体参数优化等防冲技术研究及现场应用。

3.13下煤层工作面开采防冲方案

（1）优化工作面开采布局，改善工作面应力场环境。根据3上煤层开采应力场分布情况，在3下煤层开采前进行工作面优化布置，设计3下煤层工作面支护参数。根据3上煤层采空区边缘侧向支承压力分布特点，3下煤层巷道为避开上覆岩层传递来的应力集中，采取内错式的巷道布置形式，下煤层工作面内错于上部煤层采空区边缘应不小于5 m，这样下部巷道布置在上部煤层采空区内，相对比较稳定。

（2）优化巷道断面及参数，提高巷道围岩结构抗冲能力。原巷道断面为矩形，极易在巷道顶角及底脚发生大变形破坏，因此将巷道断面优化为梯形，减小顶板暴露宽度，减小顶板下沉。增加棚梁支护，采用矿用工字钢，将棚梁布置于相邻两排锚杆间，固定于梁架上，在其顶部采用均匀背板，同时允许围岩发生适度变形，充分发挥围岩的支承能力。棚梁两端距离巷帮留有一定间隙，防止两帮承压导致棚梁受压弯曲失效。在局部巷道顶板压力显现时，增加支撑式柱腿。在两煤层间距小于4 m区域，采用上留顶煤、下破底板岩石的方式确保顶板夹矸厚度，保证顶板支护结构的有效性。

（3）巷道围岩支护结构优化，将围岩由两向应力状态转化为三向受力状态。冲击性地层内巷道需要围岩支护结构和强度具有抵抗冲击的能力。而地质条件引起的需加强支护的薄弱区域有煤层相变区、断层带附近、岩层富水区及围岩破碎带。一般传统的锚网支护在上述区域进行支护效果较差，需要采用综合支护技术提高围岩强度，如锚网索+U型钢联合支护。

在巷道掘进及回采期间详细记录危险区域信息，包括地点、范围、岩性描述、原支护参数、矿压数据等，设计合理的加强支护方案，同时考虑回采扰动的抵抗能力；回采期间在巷道超前段设置超前液压支架，预防冲击发生造成巷道损坏；严格控制回采速度，使工作面采空区有时间缓慢冒落，减小开采扰动对覆岩关键层的影响；采用大直径深孔顶板岩层卸压、增设巷道防冲吸能超前液压支架。

3.23下煤层工作面防冲技术应用

93下10工作面为九采区第10个工作面，该工作面北部、东部为采空区，南部为-440 m下山保护煤柱，煤柱以南工作面均回采结束，故煤柱内积聚高应力，93下10工作面与下山煤柱形成了较大的孤岛煤柱，具备发生强烈矿震的条件。

综合分析工作面开采地质条件和以往积累的开采经验，制定了专门的防冲方案:优化工作面巷道布置，考虑93下10工作面周围采空区和下山煤柱情况，将工作面紧邻下山煤柱侧巷道内错于93上10工作面采空区以里20 m；巷道设计为梯形断面，采用锚网索+U型钢联合支护；高应力区实施钻孔卸压，释放应力；超前支护增设超前支架，提高超前巷道抵抗冲击能力。

工作面回采期间采用微震监测技术实时采集工作面微震事件，经统计93下10工作面回采期间累计发生了103J以上能量的微震8次，其中有3次能量在105J的微震发生在-440 m下山煤柱边缘，工作面记录到的最大矿震能量达到了2.0×106J，矿区震感明显，而工作面内发生明显的矿压显现，这主要是巷道掘进及回采期间采取了有效的防冲手段，保证了工作面安全开采。

4　结论

（1）南屯煤矿特有的巨厚坚硬砂岩顶板条件使得3上和3下煤层开采时，关键层破断诱发矿震，释放的能量波及工作面附近导致工作面发生冲击地压。

（2）被解放层开采下巨厚岩层具有两种失稳类型引发矿震:3下煤层开采后增加了开采空间，使工作面在横向和纵向扰动范围均大幅度增加，为主关键层提供了变形运动的空间，致使原平衡的梁式结构容易发生失稳，也使上覆关键层悬梁跨度增加，梁中积聚大量应变能，一旦关键层失稳将释放大量能量，发生强烈矿震。

（3）针对3下工作面冲击地压危险机理，通过优化工作面开采设计、降低危险区域的扰动强度、优化巷道断面设计、优化巷道支护，最终实现了安全回采。

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［2］ 钱鸣高，缪协兴，许家林等.岩层控制的关键层理论［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2000

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（责任编辑 张毅玲）

Research on prevention and control technology of rock burst in close distance coal seams mining

Liu Peng1，Qu Yanlun2，Liu Baoliang1
（1.Nantun Coal Mine of Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Zoucheng，Shandong 273500，China；2.Production Technology Department，Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Zoucheng，Shandong 273500，China）

The distance between the upper No.3 coal seam and lower No.3 coal seam of Nantun Coal Mine was 2-13 m，strong mine earthquakes affected by the first breakage of extra thick red bed occurred in upper No.3 coal seam，and the mine earthquakes caused rock burst disasters in working face，moreover，strong mine earthquakes also occurred in the mining of lower No.3 coal seam.The caving and moving laws of overlying rock stratum in the mining of lower No.3 coal seam were analysed，and the mechanism of mine earthquake triggered by the mining of lower No.3 coal seam was worked out.On the basis of the mechanism，through optimizing mining arrangement and roadway support parameters and decreasing the disturbance of mining on rock burst danger area were adopted，which ensured safety in production of protective coal seam and realized safety mining.

close coal seams mining，protective coal seam，extra thick rock stratum，mine earthquake，rock burst

TD324

A

刘鹏（1974-），男，山东邹城人，工程师，主要从事煤矿采掘及冲击地压防治技术管理工作，现任南屯煤矿生产技术科副科长、防冲办副主任。