0 引 言
冲击地压是由于煤矿开采活动造成围岩应力集中，积聚在采场周围煤岩体中的弹性变形能突然释放而造成的，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等，具有很强的破坏性，是煤矿重大灾害之一[1]。 目前，我国冲击地压矿井数量已从1985 年的32 座发展到近200 座，分布于20 多个省市。 2003 年至今，冲击地压事故已累计造成数百人死亡，上千人受伤，严重威胁矿井安全生产[2]。 近十年来，冲击地压发生机理[3-7]、监测预警[8-9]及防治[10-13]研究已逐步发展成为采矿及岩石力学界的热点之一，并在诸多领域取得显著进展[14-17]。
冲击地压按照煤岩体应力状态分类，可分为重力应力型冲击地压、构造应力型冲击地压、中间型冲击地压。 其中构造应力型冲击地压主要表现为构造应力远大于煤岩层自重应力，针对构造应力型冲击地压，王宏伟等[18]对断层构造失稳突变诱发冲击地压机制进行了研究，认为当断层面上切应力或滑移量在逐渐降低过程中突然激增可作为冲击地压发生的前兆信息。 吕进国等[19]将逆断层诱发的冲击地压分为构造应力模式、断层活化模式与断层失稳滑动模式。 从逆断层带地应力环境、采动影响下临近断层煤体受力特征与采动影响下断层活化-失稳滑动对工作面动载冲击效应方面，系统地揭示了逆断层对冲击地压的诱导机制，为逆断层诱发的冲击地压预警与防治提供参考。 王书文等[20]认为背斜构造区采空区边缘顶板岩块更易铰接成稳定结构，出现滞后型动载荷。 采空区侧向覆岩结构构成及活动性与前方差异明显，并导致了两个方向上的支承压力特征差异。
笔者以葫芦素煤矿21103 工作面临空巷道揭露B4 背斜构造期间的动力显现情况为研究背景，综合采用微震、应力监测及现场实测方法，对监测数据进行分析总结，并提出针对性的防治措施。
1 工程概况
21103 工作面是葫芦素煤矿东翼一盘区继首采工作面21102 工作面的第2 个工作面，工作面倾向长度320 m，走向长4 160 m，平均厚度2.54 m。 其回采巷道有3 条，21103 回风巷为前期21102 辅运巷留巷，巷道顶板、两帮采用锚网索高强联合支护，底板为无支护状态下的弱面，形成了巷道“三强一弱”的支护状态。 工作面回采期间21103 回风巷又受到21102 采空区残余应力和21103 工作面超前支承压力的叠加影响，顶底板移近量高达1.5 ～2.0 m，有时伴随着煤岩弹射或是锚杆索崩断等冲击现象。
根据21103 工作面回采巷道素描图，21103 回风巷从距开切眼1 504 m 处开始揭露B4 背斜，至距开切眼2 090 m 处过背斜，背斜轴部发育在21103回风巷距开切眼 1 661 ～ 1 990 m 处。 21103 运输巷从距开切眼1 259 m 处开始揭露背斜，至距开切眼1 994 m处过背斜，背斜轴部发育在21103 运输巷距开切眼1 602 ～1 838 m。 21103 工作面布置如图1所示。
图1 21103 工作面布置
Fig.1 No.21103 working face layout
2 冲击地压监测分析
采用区域微震监测配合局部应力在线监测手段对21103 工作面进行实时监测预警，根据工作面推进过程中揭露B4 背斜期间的监测数据，针对应力监测数据及微震能量、频次的变化规律进行分析。
2.1 微震监测数据分析
21103 工作面揭露B4 背斜期间微震监测数据变化曲线如图2 所示，21103 工作面揭露 B4 背斜102 J 以上事件平面分布如图3 所示。
图2 21103 工作面揭露B4 背斜期间微震监测数据
Fig.2 Microseismic monitoring data curves of No.21103 working face reveals during advancing B4 anticline
1)矿井在采掘过程中，地质条件及开采条件可能随时发生变化，采掘工作面微震事件频次及能量的变化反映的是各种地质因素及开采因素综合影响的结果，在发生变化的过程中可能会存在某一种或2 种因素占据主导地位。
图3 21103 工作面揭露B4 背斜102 J 以上事件平面分布
Fig.3 Event plane distribution over 102J of No.21103 working face reveals during B4 anticline
2)在图 2 中，21103 回风巷与 21103 运输巷揭露B4 背斜时，由于两巷所处环境不一，致使微震事件日频次相差近1 倍。 21103 回风巷受到背斜构造、采空区、联巷、硐室及周期来压等因素的综合影响，微震事件频次的突增，背斜构造占主导因素地位。 21103 运输巷揭露B4 背斜，前后微震事件频次无明显变化，分析得出，微震事件频次的变化是由B4 背斜和采空区2 种因素主导结合其他因素综合影响产生的，单一的揭露B4 背斜或是临采空区都不会导致微震事件频次的大幅增多。
3)图2b21103 回风巷揭露B4 背斜后，微震平均日频次突增到平时的2 倍以上，微震平均日总能量突增到平时的1.5 倍以上；21103 回风巷揭露B4背斜轴部后，微震平均日频次与平时基本持平，微震平均日总能量突增到平时的1.5 倍左右，与揭露背斜两翼时持平。 说明背斜构造区域煤岩体内积聚了大量的弹性形变能，受采动影响后可能会以震动或矿震的形式释放出来。
4)21103 回风巷揭露B4 背斜翼部和轴部时微震数据对比发现，从微震频次来看揭露背斜翼部是揭露背斜轴部的2 倍以上，从微震日总能量来看两者基本持平，通过分析可以得出：揭露背斜轴部时单个微震事件释放的能量更大，冲击危险性较揭露背斜两翼也更大。
5)由图3 可知，过背斜轴部期间，60%以上103J微震事件和超过80%的104J 以上事件集中发生在B4 背斜轴部靠近21103 回风巷区域。 说明揭露背斜轴部时，21103 回风巷的冲击危险程度更大。
2.2 应力监测数据分析
随工作面推进超前应力变化曲线如图4 和图5所示，正常情况下超前采动影响范围为70 m 左右，支承压力峰值为32.1 MPa，随采动扰动，超前影响会向前推移，超前范围存在硐室或联巷等大断面巷道时，采动影响范围增大至90 m 左右；工作面推进至背斜翼部时，超前采动影响范围增大至110 m 左右，支承压力峰值达到39.4 MPa；工作面推进至背斜轴部时，超前采动影响范围增大至150 m 左右，支承压力峰值达到47.2 MPa。 分析可得：背斜翼部应力集中程度为正常巷道段的1.23 倍，背斜轴部应力集中程度最大，为正常巷道段的1.47 倍。
图4 背斜翼部随工作面推进超前应力变化曲线
Fig.4 Lead stress change curves with working face advancing of anticline flank
图5 背斜轴部随工作面推进超前应力变化曲线
Fig.5 Push forward stress curves with working face advancing of anticline shaft
3 冲击地压防治措施
21103 回风巷为临空巷道，受超前支承压力和采空区残余应力的双重作用，由于巷道顶板、两帮采用锚网索高强联合支护，底板为无支护状态，巷道整体呈现“三强一弱”支护状态，煤岩体中积聚的弹性能一大部分通过底板变形释放出来。
针对21103 回风巷围岩支护状态及应力分布规律，设计采用由上至下分阶段4 级高强卸压方法：①超前顶板水力压裂钻孔卸压；②煤层大直径钻孔卸压；③周期性爆破卸压；④超前高强度起底卸压。
3.1 顶板“钻-切-压”预裂钻孔
随工作面推进，提前在21103 回风巷沿工作面走向施工顶板水力压裂孔：一是切断临空巷道上覆坚硬岩层，降低采空区残余应力和超前支承压力对临空巷道的影响，二是将坚硬厚层砂岩顶板通过切缝压裂分层，降低了顶板的蓄能能力，减小了坚硬厚层顶板难垮落、易造成大面积来压的风险。
采用高压水力切缝、定向水力压裂，每个孔切缝/压裂 3 次，切缝、压裂压力 30 ～ 60 MPa。 具体施工参数如图6 和表1 所示。
图6 21103 回风巷钻孔卸压施工参数
Fig.6 The construction parameter map of drilling pressure relief in No.21103 return air tunnel
表1 21103 回风巷顶板压裂钻孔参数
Table 1 Roof fracturing drilling parameters in No.21103 return airway
钻孔编号间距/m直径/mm倾角/(°)孔长/m切缝条数压裂次数1 15 65 45 30 3 3 2 15 65 60 24 3 3
3.2 大直径钻孔卸压
随工作面推进，在21103 回风巷超前工作面300 m 范围施工煤层大直径钻孔：一是释放煤层中积聚的弹性能，以缓解或消除工作面超前范围矿压显现，降低巷道冲击危险；二是冲击显现时，通过对大直径钻孔孔壁的挤压、破裂、密实过程释放一部分冲击能量，降低冲击危险程度。 21103 回风巷煤层大直径钻孔参数间距1 m，直径150 mm，方位角90°/270°，倾角 3°，孔长 15 m(图6)。
3.3 周期性爆破卸压
针对工作面回风巷超前150 m 范围高应力集中区域，采取周期性爆破卸压措施，一方面破坏坚硬煤岩体的储能结构，释放煤岩体积聚的弹性能，使煤体中高应力向远场转移，另一方面爆破产生的次生裂隙会对应力的再次积聚形成一个延缓作用，煤层爆破钻孔参数间距5 m，直径45 mm，倾角3°，长度15 m，装药长度10 m，装药质量10 kg。 爆破钻孔布置如图7 所示。
图7 爆破钻孔布置
Fig.7 Blasting drilling layout
3.4 临空巷道起底卸压
对回风巷采取“二次起底”超前主动释放底板中积聚的能量：“一次”超前单体液压支柱外段高强起底卸压，平均起底1.0 m 以上，保证巷道高度在1.8 m左右，释放底板中积聚的弹性能，同时满足行人运料；“二次”超前单体液压支柱起底卸压，平均起底0.4 m，保证巷道高度在2.2 m 以上。 确保超前支护及通风行人需要。
在回采期间，除采取以上常规卸压措施外，对于监测具有冲击危险区域，采取大直径钻孔或小孔径爆破解危措施，降低了21103 回风巷冲击危险程度，确保了过B4 背斜期间21103 工作面的安全回采。
4 结 论
1)矿井在采掘过程中，采掘工作面微震事件频次及能量的变化反映的是各种地质因素及开采因素综合影响的结果，在发生变化的过程中可能会存在某1 种或2 种因素占据主导地位。
2)背斜构造区域煤岩体内积聚了大量的弹性能，受采动影响后可能会以震动或矿震的形式释放出来。 揭露背斜轴部时单个微震事件释放的能量更大，冲击危险性较揭露背斜两翼也更大。
3)过背斜轴部期间，60%以上103 J 微震事件和超过80%的104 J 以上事件集中发生在B4 背斜轴部靠近21103 回风巷区域。 说明揭露背斜轴部时，21103 回风巷的冲击危险程度更大。
4)正常情况下超前采动影响范围为70 m 左右，支承压力峰值为32.1 MPa，随采动扰动，超前影响会向前推移，超前范围存在硐室或联巷等大断面巷道时，采动影响范围增大至90 m 左右；工作面推进至背斜翼部时，超前采动影响范围增大至110 m左右，支承压力峰值达到39.4 MPa；工作面推进至背斜轴部时，超前采动影响范围增大至150 m 左右，支承压力峰值达到47.2 MPa。 过背斜期间，背斜翼部应力集中程度为正常巷道段的1.23 倍，背斜轴部应力集中程度最大，为正常巷道段的1.47 倍。
5)针对21103 回风巷围岩支护强度状态及应力分布规律，设计采用由上至下分阶段四级高强卸压防冲措施，并针对过B4 背斜期间监测具有冲击危险区域采取大直径钻孔或爆破解危措施，降低了21103 回风巷冲击危险程度，确保了过B4 背斜期间21103 工作面的安全回采。
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