0 引 言
蒙陕地区是国家煤炭资源开采的重心。“十三五”期间，蒙陕地区规划产能占全国规划产能近1/2，在建待建均为高产高效现代化矿井[1]。然而，在实际开采过程中，蒙陕地区矿井受坚硬顶板、坚硬煤层、高强度开采扰动等复杂因素影响，在工作面开采过程中，以冲击地压为代表的动力显现灾害频发，已严重制约矿井的安全高效生产。葫芦素煤矿地处蒙陕地区腹地，2018年2月，其21103工作面回采期间发生1起动力显现事故，分析表明，临空巷道坚硬顶板与坚硬煤体的耦合是事故发生的主要原因。
学术界和工程界对于坚硬煤岩体对冲击地压的诱发关系已有较深入的研究,并基本达成了共识。窦林名等[2]认为坚硬厚层砂岩顶板破断是冲击地压发生的动静载主控因素。牟宗龙[3]研究了坚硬顶板对坚硬煤体冲击破坏的冲能原理，认为坚硬顶板的突然破断易使煤体满足冲能判别准则而发生冲击破坏。文献[4-5]研究了坚硬顶板的覆岩演化结构理论，认为在工作面“见方”、2次 “见方”及3次“见方”阶段煤体的冲击危险性大。近年来，我国煤矿冲击地压发生频率强度激增，并且浅部开采激增明显，关于冲击地压的研究由对冲击地压发生机理研究逐步转向冲击地压防治技术研究[6]。对于坚硬顶板主要采取顶板深孔爆破与顶板水力压裂的控制手段。其中，顶板深孔爆破技术广泛应用于山东新汶[7]、山西晋城[8]等老矿区，在蒙陕地区的起步相对较晚但发展很快，已逐渐应用于现场防冲实践[9]。冯彦军等[10]发展了顶板定向水力压裂技术的成套装备与技术，并在王台铺等煤矿已有较成熟的运用。对于坚硬煤体，煤体大直径钻孔卸压与煤体卸压爆破已有较成熟的运用[11]。综上所述，现有的技术与装备[12]具备了对坚硬煤岩体进行“钻-切-压”一体化高强度卸压处理的条件。
因此，为保证矿井实现安全高效生产，笔者从葫芦素煤矿实际条件出发，寻求工作面冲击地压的主控因素与致灾机理，并针对性地开展了工作面坚硬煤岩体的“钻-切-压”一体化释能减冲技术实践。
1 工程概况
21103工作面为葫芦素煤矿首采区第2个回采工作面，西邻21102工作面采空区，区段煤柱30 m。煤层倾角为-3°～+3°，埋深620～650 m，煤厚平均2.54 m。鉴定结果表明，葫芦素煤矿2-1煤具有强冲击倾向性，顶板具有弱冲击倾向性，底板无冲击倾向性。顶板岩性多以粉砂岩为主，底板岩性多为砂质泥岩。2018年2月，21103工作面推进867 m时，临空侧巷道发生一起动力显现事故。回采帮2 m处底板被冲开，大块底板鼓起，有煤粉喷出，中间水泥路面鼓起0.7 m，大块立起约70°；煤柱帮肩窝破碎，帮鼓0.5 m，木垛翻倒，10根单体支柱从煤柱帮抛到巷道中，3～5根最远抛到回采帮，帮鼓0.5 m，部分锚索支护失效。
2 冲击危险因素分析与评价
为便于定量分析，将工作面的冲击危险影响因素划分为全局和局部影响因素。21103工作面冲击地压发生的全局影响因素有：坚硬顶板、强冲击倾向性煤层、开采深度；局部影响因素有：区段煤柱宽度(30 m)，断层、褶曲构造，顶板活动(初次来压、见方来压)，巷道集中布置(联络巷、回撤通道等)。
针对工作面巷道逐段确定对应的影响因素，并将每一因素(含全局影响因素和局部影响)的影响程度定量化表示，定量化标准参考综合指数法，见表1。据此对21103工作面各因素影响下的冲击危险性进行精细化评价，见表2。
表1 冲击危险性评价等级划分标准
Table 1 Crlterla for classfication of rockbursthazard assessment
等级无弱中等强冲击危险指数αα≤44<α≤88<α≤12α>12
据此作出21103回采工作面冲击危险区域划分，受坚硬顶板、强冲击煤体以及开采深度等全局影响因素影响，工作面整体静载应力集中程度较高。在回采过程中，回风巷坚硬顶板活动剧烈，同时受断层、褶曲等地质构造，巷道集中布置等局部影响因素的影响，巷道整体冲击危险性较强。
3 坚硬煤岩体致灾机理研究
冲击地压启动的能量来源主要分为2类，即采动围岩近场系统内静载荷和远场系统外动载荷[11]。葫芦素煤矿采深大，顶板厚硬砂岩密度大且不易垮落，2-1煤层坚硬致密，具有强冲击倾向性，在煤岩体系统内已形成了冲击启动体。在工作面回采过程中，临空侧坚硬顶板大面积断裂或上覆高位坚硬顶板破断瞬间释放的冲击能量传递到冲击启动点时，系统内外的能量产生耦合叠加，当超过煤岩体强度极限时，发生冲击显现[13]，如图1所示。
表2 21103工作面各因素影响下的冲击危险性评价
Table 2 Evaluation of rockburst hazard under influence of various factors in No.21103 working face
因素类型影响因素α范围21130回采工作面实际条件评估α影响范围全局因素坚硬顶板0～3厚硬砂岩组互层3煤层冲击倾向性0～3强冲击倾向性3开采深度0～3620～650 m3所有巷道局部因素区段煤柱0～3煤柱30 m321103回风巷(距开切眼0～4 160 m)褶曲0～2B4背斜1 678 m221103主运输巷、辅助运输巷(1 648～1 708 m)顶板活动初次来压0～3初次来压步距约45 m321103回风巷(距开切眼25～65 m)21103运输巷(距开切眼25～65 m)单工作面见方来压0～3单面采空区宽度320 m321103回风巷(距开切眼270～370 m)21103运输巷(距开切眼270～370 m)双工作面见方来压0～3双面采空区宽度680 m321103回风巷(距开切眼580～780 m)联络巷(回撤通道)0～3双回撤通道,间距30 m321103主、辅回撤通道
图1 临空侧坚硬顶板诱发冲击启动
Fig.1 Hard roof induced rockburst initiation in gob-side entry
此系统中，冲击地压的能量判据为
E0+Ed-Ec>0
(1)
式中：E0为煤岩体系统内积聚的能量；Ed为顶板断裂弹性能传递至煤壁极限平衡区的能量；Ec为煤岩体破坏时消耗的能量。
对于21103工作面临空侧巷道，坚硬顶板既是系统内高静载力源，又是系统外强动载荷来源。由式(1)可知，顶板岩层密度及厚度越大，单轴抗压强度越高，冲击启动过程中的E0 与 Ed越大；强冲击倾向性煤体是系统内动静载荷的直接受体，煤体冲击倾向性越强，其破坏所消耗的能量Ec越小，则越容易满足冲击地压发生的能量准则。因此，对于工作面的冲击地压防治，应同时从2方面入手：①针对坚硬顶板难垮落的问题，对顶板采取强卸压，破坏系统内外的蓄能条件，降低E0与Ed；②针对坚硬及强冲击倾向性煤层，对煤体进行弱化与强卸压，形成冲击发生的缓冲隔离带，增大其破坏所消耗的能量Ec。据此设计了葫芦素煤矿坚硬煤岩体“钻-切-压”一体化冲击地压释能减冲技术。
4 “钻-切-压”一体化冲击地压防治技术
4.1 坚硬顶板预裂
针对21103工作面坚硬顶板，采用高压水泵配合专用高压切缝钻杆、高压封隔器，进行超前预裂。每组2孔，其中煤柱帮侧钻孔方位角270°、仰角60°、孔径56 mm，孔间距15 m、孔深24 m；回采帮侧钻孔方位角135°、仰角45°、孔径56 mm、孔间距15 m、孔深30 m，施工布置如图2所示。
图2 21103工作面回风巷“钻-切-压”施工布置
Fig.2 Construction layout of “drilling-cutting-pressing”in air-return roadway of No.21103 working face
4.2 坚硬顶板深孔预裂爆破
为提高顶板预裂效果，在具备施工条件的巷道内进行深孔爆破预裂，预裂范围为垂高40 m，每组3个孔，煤柱侧1个孔，回采侧2个孔。孔间距15 m，爆破孔直径75 mm，配ø50 mm药卷，线密度2 kg/m。21103回风巷顶板爆破孔参数见表3，21103回风巷顶板爆破孔炮孔布置如图3所示。
表3 21103回风巷顶板深孔爆破孔参数
Table 3 No.21103 parameters of deep-hole blastinghole in roof of return air roadway
编号倾角/(°)孔长/m装药长度/m装药质量/kg164442754260462856345423570
图3 21103回风巷顶板爆破孔布置
Fig.3 Layout of roof blasting holes in
No.21103 return air roadway
4.3 煤层大直径钻孔
初期，在21103工作面回风巷两帮分别施工一排直径127 mm卸压钻孔，孔深15 m、间距3 m，施工范围始终控制在超前工作面300 m以外。在工作面“二次见方”区域(开切眼前方550～750 m)，将钻孔间距调整为1.5 m。
事故发生后，为提高煤层卸压效果，自2018年2月22日，煤层卸压孔直径由ø127 mm改为ø150 mm，钻孔间距由3 m改为1 m。现场施工过程中发现，煤柱侧应力峰值在5～12 m，出粉量最大。这说明，15 m钻孔足以穿透应力峰值区，长度暂不调整。调整后卸压孔参数见表4。
表4 煤层卸压孔参数变更
Table 4 Change of unloading hole parameters in coal seam
类别孔径/mm孔深/m间距/m早期参数127153优化参数150151
4.4 煤层小孔径爆破
21103回风巷应力监测发现，需要应急解危的区域位于回采工作面超前应力影响区。该类区域巷道帮部压力增幅过大，易达到冲击临界值。对于通过各类监测数据判定的高度冲击危险区，密集的大直径钻孔施工存在较大伤人风险，而煤层爆破是重要的高效解危措施。其实施原则包括：小孔径、高钻孔密度、小炸药线密度等。煤层小孔径爆破参数见表5。施工设计如图4所示。
表5 煤层爆破钻孔参数
Table 5 Borehole parameters tablefor coal seam blasting
间距/m直径/mm倾角/(°)孔长/m装药长度/m装药量/kg5453151010
图4 巷道帮部爆破孔施工参数
Fig.4 Construction parameters of blasting holes in roadway side
5 卸压解危措施的效果评价
为对卸压解危措施的实施效果进行评价，统计了卸压解危措施施工前后20 d之内的微震事件能量/频次变化规律，如图5所示。
图5 卸压措施优化前后微震及冲击事件的时间序列
Fig.5 Time series of microseismic and rockburst events before and after optimization of pressure relief measures
对比微震及冲击事件可知，实施卸压方案前(2018年2月)，共发生4起4次方微震事件，其中有2次诱发了强矿压，最大破坏范围48 m，诱发冲击比例占50%。调整卸压方案后，共发生9次4次方微震事件，其中1次诱发轻微冲击，诱发比例仅为11%。
以上规律表明：“钻-切-压”一体化的卸压措施从静载层面减少了顶板岩层的弹性能积聚，在两帮形成一定范围的保护带，减小对巷帮及底板应力叠加；从动载层面，削弱了单次顶板断裂引发的动态应力波，减弱强矿震的破坏力，能够有效减少冲击事故的发生，这说明“钻-切-压”一体化的卸压解危措施可有效减弱工作面的冲击危险。
6 结 论
1)根据21103回采工作面实际条件，分析了工作面冲击危险的全局影响因素和局部影响因素，并对工作面冲击危险区域进行了分级分区划分。
2)研究了21103工作面坚硬煤岩体的诱冲机理，得出降低系统内弹性能，增大煤岩体破裂时耗能是现场防冲工作的依据，据此提出了的坚硬煤岩体的“钻-切-压”一体化释能减冲方案。
3)对21103回采工作面开展“钻-切-压”一体化防冲技术实践，根据现场实测数据，该技术方案能够减弱强矿震的破坏力，有效减少冲击地压事故的发生，起到“释能减冲”的效果。
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