摘要：随着世界范围内煤炭资源逐渐转入深度开采阶段，煤炭企业所面临的灾害影响越来越多，尤其因冲击地压灾害带来的人身伤亡和财产损失极大的威胁生产安全，是矿井急需加以管控的重大风险灾害。华亭煤矿2501采区自开展采掘活动以来冲击地压事件一直十分活跃，致使巷道底鼓、顶板下沉、支护失效、大型设备位移等现象突出，甚至出现人身伤亡，对矿井造成了巨大的经济损失和安全隐患。为进一步降低人为因素对矿井冲击地压的影响。根据矿井实际提出对静动载同时监测区域局部相结合的综合监测预警技术，确定监测预警指标综合评判冲击危险性并实施以钻孔卸压、爆破卸压为主的针对性防治措施，通过选取相邻或相似工作面对比冲击地压破坏程度，对综合防治效果进行了检验，得出采掘工作面冲击地压破坏程度显著降低，在冲击地压灾害的预防和治理方面取得一定成果。

关键词：华亭煤矿；采掘工作面冲击；危险性评价；防治技术

1引言

煤炭在我国的使用历史可以追溯到上千年前，从古至今一直处于主导地位，近现代以来更是为我国经济发展和社会进步贡献了巨大的力量。但是在新时代各领域高速发展大背景的下，对清洁能源的要求和新能源的不断涌现是我国能源领域发展的必然趋势，对煤炭行业来说面临着巨大的考验。但从我国其他能源相对贫瘠但富煤的能源现状以及能源消费领域的前进态势来看，在新的可替代煤炭的可再生能源被开发应用之前，煤碳开采在未来很长一段时期内仍旧是我国能源消耗的主要方向。基于此，煤炭在能源领域的主导地位不会变，作为主力能源仍占据很大比例，预计到本世纪中叶仍占比50%以上，在一次性能源中能够达到70%。但我国浅埋深以及露天煤炭资源在总资源占比中本来就相对较小，在长期开采过程中已经消耗无几，煤炭资源逐步转入深部开采不仅是我国也是世界上煤炭开采行业所必须面对的实际情况。转入深部开采后的矿井回采巷道上覆岩层运移圈随着采深和范围的扩大也逐渐增加，围岩控制技术要求愈加复杂，冲击地压灾害的严重性也呈现出上升的趋势，已经成为现阶段深度开采矿井面临的重大灾害，对矿井安全高效开采造成严重影响。

2采区概况与冲击地压应影响因素分析

2.1地质概况

华亭煤矿2501采区开采水平+840水平，是目前唯一的采区（图2-1）。根据《华亭煤矿地质类型报告》井田内共含煤5层，采区主要可采煤层为5#煤层，煤层厚度总体由北向南逐渐增厚且埋藏深度增加，平均厚度达37.51m属于特厚煤层；煤层含3～4层夹矸结构较复杂，煤层中下部夹矸岩性为黑色泥岩及炭质泥岩，煤层上部夹矸以砂质泥岩为主[3]。采区走向南北位于华亭煤田4＃～9＃勘探线之间，长约2400m，位于一个宽缓近水平的褶曲构造上，因长期受区域上南西～北东向以及东西向的挤压作用构造应力较大且集中程度较高，地质构造相对简单没有大的断裂构造。

2.2开采方法

华亭煤矿采区工作面已进入下分层布置，上分层回采结束6个工作面后仍留有未采工作面，目前正在回采的250102-2工作面为下分层1#面，布置在与砚北煤矿井田边界以南，采区大巷保护煤柱以北，工作面上方大部分区域是250102-1工作面与250104-1工作面采空区下部实体煤，部分区域布置在煤柱下方（图2-3），250102-2工作面分层厚度最大为16.5m，最小为7.5m，煤层倾角4°～9°整体呈近水平状态[4]。准备工作面250107-1工作面为上分层未采工作面，布置在250106-1工作面西侧与其相隔保护煤柱，西部为采区未采煤体。煤层倾角2°30′～9°，工作面开采区域内煤层赋存较为平缓，底板因褶皱构造起伏不平。采掘工作面剖面示意图见图2-2。目前正在回采的250102-2工作面为该采区下分层首个工作面，采用走向长壁倾斜分层综采低位放顶煤法，采用一采一放、采放平行作业的回采工艺，设计采高3.3m，放顶煤9.8m，采放比1：2.97。掘进巷道采用综掘施工方法，配套胶带输送机运煤，采用锚网索带联合支护方法。

2.3冲击地压影响因素

诱发冲击地压灾害的原因主要包括自然的、技术的和组织管理方面三类。自然影响因素中由岩体容重和残余构造应力组成原岩应力是诱发冲击危险的最基本因素，由于采深决定围岩应力，采深越深其围岩应力越大，在褶曲和断层附近存在的残余构造应力也会产生一定影响。技术因素中主要是开采引起局部应力集中和采动压力大等影响，其主要原因是开采系统设计不合理或不完善，或在坚硬顶板条件下开采形成较大面积悬顶，造成较大的应力集中[5]。另一方面开采活动亦可造成应力集中，如煤柱、停采线布置等原因造成的应力集中传递到邻近的煤层等。同时，生产的集中化程度越高，越容易发生冲击地压。技术和管理相互交叉影响主要是采矿作业、技术装备等投资不到位，或者没有选择有效的冲击地压监测和防治方法，以及监测及防治设备不完善等。生产管理制度对冲击地压的发生也起一定作用，管理制度不到位，使得冲击危害程度大幅提高，例如，没有得到合理摆放的支柱等设备可能由于冲击地压产生的强烈震动而弹起，从而伤及人员和损坏设备，或由于人员在冲击危险区域不必要的长时间逗留而使受到冲击地压伤害的概率增加等[6]。

3工作面防冲优化设计

3.1设计原则

保护层得开采使得采场周围煤岩体整体性遭到破坏，在破坏的过程中同时释放弹性能，应力集中程度和分布都发生较大变化，在应力峰值向煤岩体深部进一步传递的过程中煤体自身所受应力值减少，煤体承受的压力也逐渐降低实现压力释放。受采动影响随着工作面向前推移采空区逐渐被冒落的矸石填充，顶板下沉并与矸石重新贴紧压实形成新的应力结构体，虽然采空区被矸石与上覆岩层重新压实并承受压力，但所受到的应力值较原始应力相比在很大程度上被削弱，煤体因为周围岩体的破碎变化仍呈现出膨胀变形的状态，体内积聚的弹性能得到一定的释放，从而削弱了其发生冲击破坏的能力。

煤柱留设宽度在很大程度上决定了其自身的应力集中程度，从能量积聚的理论出发，越窄的煤柱因煤体内不具备存储能量的条件从而变得更加安全，但太小的煤柱因为其自身的承压能力小，对巷道起不到承载作用导致巷道肩部破碎顶板下沉或者受水平应力挤压使巷道逐渐变形缩小，形成冒漏区或者是巷道坍塌；过宽的煤柱除自身积聚了大量了弹性能外，其较强的承载能力又使上覆岩层不能随采动冒落至采空区，引发冲击危险的可能性也随之增大，并且从资源利用方面造成资源损失。

工作面切眼外错受邻近采空区处双向应力叠加导致局部区域冲击危险程度增大，采掘工作面临近上区段工作面切眼时冲击地压频发，切眼周围煤岩体应力水平较高，为避免造成应力集中应采取切眼内错或平齐布置的方式[8]。当工作面临近上区段工作面采空区时，停采线附近煤岩体应力集中程度与分布情况与切眼位置相似，停采线附近局部区域形成一个高应力水平，为避免造成应力集中从而降低回采冲击危险性，也应使工作面停采线与相邻工作面停采线内错或平齐布置。

3.2防冲优化设计

3.2.1开采顺序

华亭煤矿已进入下分层开采，但上分层仍剩余个别工作面，为保证矿井采掘接替正常，又不会造成采掘干扰，应在上分层工作面采空区上覆顶板岩层垮落并重新趋于稳定后才能考虑布置下分层工作面。所以应交替布置上下分层工作面，并从采区中部向两边延展，即250102-2工作面（下分层）→250107-1工作面（上分层）→250101-2工作面（下分层）→250108-1工作面（上分层）。

3.2.2区段煤柱留设

通过不同宽度煤柱与垂直应力分布关系的数值模拟分析表明，3～5m宽度的煤柱有利维护及资源保护，同时可以有效降低煤柱弹性能的积聚。根据华亭煤矿现场地质条件，煤柱应设计为屈服煤柱，在满足矿井通风和防灭火前提下工作面区段煤柱设计为6m，能够有效的降低临空区煤柱冲击地压的发生。

3.2.3开切眼布置

华亭煤矿回采工作面与井田保护煤柱斜交布置，从资源节约方面考虑工作面切眼与相邻工作面切眼外错布置，但受采空区处双向应力影响，当开切眼参差不齐或者外错相邻工作面布置时，切眼附近应力集中程度很高，直接导致冲击危险程度升高[9]。因此，应尽可能将工作面开切眼平齐布置或内错布置，有效避免人为形成应力集中区，降低冲击危险性。但250102-2工作面切眼布置时出现了切眼外伸至上分层实体煤柱内的情况，此因素增加了冲击危险性。开切眼布置优化。

3.2.4停采线设计

工作面间的停采线布置，出于安全考虑应以尽量降低停采线外错引起的应力集中影响为主要目的，其次考虑资源回采率，在同一煤层的工作面停采线间应平齐或内错布置（图3-3），进入下分层开采后因为煤柱下方存在较高的引力水平，会引起停采线局部区域受垂直应力影响积聚的弹性能升高，停采线位置应设计在上分层工作面以里并与相邻工作面内错。

3.2.5巷道支护

工作面两巷顶板支护采用高强高预应力均让压锚杆菱形布置，锚杆排距800mm，间距750mm，配合两个5眼“W”型顶板钢带，采用菱形金属网护顶，顶板锚杆安设角度为与锚杆安装处巷道轮廓线切线相垂直，锚杆打设为每排9根，运输巷每排间隔打设7根锚索，回风巷每排间隔打设5根锚索，锚索垂直于巷道轮廓线切线。由于巷道留有底煤存在弹性能积聚，具有冲击危险性，所以在底板打设两根锚杆，与水平位置呈60°夹角。

4冲击地压监测预警与防治

4.1冲击地压监测预警技术

煤岩体在应力作用下产生裂隙，在进一步变化扩展过程中伴随着能量的释放并以应力波的形式表现出来，这种波形数据通过采集分析可以推断煤岩体发生破坏的程度或者所受应力对其产生作用的大小，从而判定监测区域冲击危险等级，从低到高分为A、B、C、D四个等级。250102-2工作面回采期间两巷各布置4个声发射探头，1#～4#号布置在回风巷，5#～8#号布置在运输巷，在距开采线60m处布置第一组探头，其次每隔50m安装一组探头并保持工作面一侧的声发射探头与开采线距离不小于40m，声发射探头安装在实体煤侧帮锚杆上并用隔音材料填充，避免杂音对监测效果的影响。250102-2工作面回采期间声发射拾震器初次布置。

钻屑监测可以通过煤粉量反应工作面回采过程中煤体所受静载的影响的状态，煤体受到较高的应力水平作用产生一定的形变，当钻孔达到应力集中区时受煤层拉应力影响产生的煤粉量增加，其粉状颗粒的直径变大且伴随着一些明显的动力现象，根据煤粉量的变化即可预测煤体的受力状态，达到预测冲击地压危险性的目的。在施工期间除了准确记录每根钻杆取出的煤粉量（图4-3）还应关注钻进过程中吸钻、卡钻、顶钻、异响和孔内冲击等动力现象，通过煤体局部反应的应力集中状态判断其冲击危险性的大小。

4.2安全防护措施

4.2.1警戒区域“双限”管理制度

掘工作面设置警戒区，250102-2回采工作面冲击地压警戒区域为两顺槽距开采线120m范围，250107-1掘进工作面冲击地压警戒区域为距掘进迎头120m范围。

生产期间以及检修作业期间采掘工作面警戒区域作业人员不得超过规定，严格落实限员制度。

冲击地压危险警戒区域作业、通行必须携带准入证，两顺槽冲击地压危险警戒区域准入证用不同的颜色区分，严格落实准入制度。

采掘工作面检修期间，要统筹安排各相关单位当班的施工任务、工作量、施工人数及施工时间，坚持分批次分散作业的原则，将同时作业人数降至最低，同时不得超过限员要求，落实限时作业制度。

采掘工作面所有工作人员交接班时，工作面全部设备停止运转后方能分批分散进入工作面进行交接班，且在回采工作面人员行走时全部从运输巷通行。

4.2.2设备材料限位固定管理制度

为预防冲击地压危险区域发生底鼓使设备、材料发生位移对人员造成伤害，制订设备材料限位固定制度。

回采工作面两巷距开采线120m范围内不得存放杂物，不能及时回收升井的材料必须移至工作面120m范围外，并严格按材料码放管理规定执行。确需存放的支护用品及配件必须严格按材料绑扎码放管理规定执行。

存放的支护用品及配件在巷帮分类码放且高度小于0.8m，并用钢丝绳绑扎限位。各类管路沿巷道整齐铺设，距底板高于0.3m不能超过1.5m，用管卡固定牢靠，需要穿过躲避硐室或设备硐室时沿硐室顶使用钢丝绳固定且绑扎点不少于4处。

可能伤及人员的大件设备、配件、材料必须打设单体柱进行密集支护，与人行通道隔离，并用钢丝绳捆扎与巷帮的锚杆固定牢固，确保发生冲击地压时不被弹入人行通道伤及人员。

回采工作面两巷超前支架底座与巷帮之间用法兰螺栓限位固定，支架推移后及时限位[15]。

4.2.3加强支护管理制度

加强回采工作面两巷超前支护质量，对漏夜卸载的单体柱和损坏失去支护作用的单体柱必须及时补打和更换处理。

回采工作面运输巷超前支架推移后，在支架底座与转载机之间码好木垛，木垛各层枕木间必须固定牢固。转载机推移时，对影响推移的单体液压支柱拆除后必须及时补打。

5结语

自然因素是影响华亭煤矿2501采区工作面冲击地压灾害的主要影响因素，受褶曲构造影响应力水平较高；同时人为的开采技术因素对冲击危险性也起到非常大的影响作用，矿井应从改进开采技术的角度进一步降低冲击地压危险性。

基于动静叠加诱发煤岩动力破坏的理论，得出采区煤层叠加应力最高可达到74.79MPa，受工作面临空区覆岩破断影响其引起的矿震动载是华亭煤矿采区冲击地压致灾主要力源，冲击地压类型主要为顶板构造型。

优化工作面防冲设计，确定合理的开采顺序以减少采掘扰动，得出小煤柱护巷有利于防冲，切眼及停采线应平齐或内错布置，并确定较为合理的推进度。

采用微震、钻屑、应力监测等手段对采区煤层静动载综合监测的方法进行冲击地压预测预报；确定了以钻屑法为主的卸压效果检验方法以及解除预警的条件；采取了以钻孔卸压、爆破卸压以及煤层注水卸压技术为主的综合防治措施并确定了现场施工参数。

从防御角度制订特殊管理制度并落实安全防护措施，通过对比已发生冲击显现的破坏情况，得出实施卸压措施后破坏指标显著下降，冲击地压灾害的防治取得一定效果。

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