張金福 谷孟平

(1.開灤趙各莊礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063101;2.河北省安全監(jiān)察局，河北 石家莊 050000)

煤礦開采過程中，在高應(yīng)力狀態(tài)下積聚有大量彈性能的煤巖體，在一定的條件下突然發(fā)生破壞、冒落或拋出，使能量突然釋放，呈現(xiàn)聲響、震動以及氣浪等明顯的動力效應(yīng)稱之為動壓現(xiàn)象。目前根據(jù)動壓現(xiàn)象的成因和機(jī)理，可歸結(jié)為沖擊礦壓、頂板大面積來壓和煤與瓦斯突出三種形式。沖擊礦壓具有突發(fā)性、瞬間震動性、巨大破壞性及形成原因復(fù)雜性等特點(diǎn)。

1 3137工作面概況

3137工作面屬于趙各莊礦13水平12煤層西翼采區(qū)。工作面標(biāo)高為－994.7m～－1097.0 m，地面標(biāo)高為+40 m，垂深約1137.0 m。上至12水平，12水平以上為 2137、2237、2337、2137 和 2237 于1989～1991年回采完畢，2337東面尚未回采;下至13水平，13水平以下尚無采掘工程;西至13水平西一石門上山，上山以西為3137西面于2003至2009年回采完畢，東至東Ⅲ斷層煤柱線;上山以西上覆9煤層3297西上面正在回采。如圖1所示。

圖1 3137工作面示意圖

3137工作面東一面軌道順槽(回風(fēng)道)走向長度為266 m，運(yùn)輸順槽(運(yùn)輸?shù)?走向長度為239 m，工作面長度71.5 m，設(shè)計停采線為運(yùn)輸順槽距副上山口40 m處，采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤法?？刹蓛α?6.9萬t。

工作面選用42組ZF4000—15.5/25型放頂煤液壓支架和5組ZFG4800—17/28A型過渡液壓支架支護(hù)頂板(工作面上口3組、下口2組過渡液壓支架)。工作面內(nèi)采用2部SGZ730/2×132型刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤，工作面使用MG200/500－AWD型采煤機(jī)破煤。工作面采用走向長壁后退式放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。

2 3137東一工作面超前支承壓力實測

在3137東一面運(yùn)輸順槽布置頂板動態(tài)儀，從超前工作面70m開始，分別間隔5m、5m、6m、5m布置一個頂板動態(tài)儀，共支設(shè)5個;在運(yùn)輸順槽布置機(jī)械式鉆孔應(yīng)力計5個;第一臺布置在運(yùn)輸順槽距切眼58 m處，其他依次布置在運(yùn)輸順槽距副上山口51 m、61 m、71 m、89 m處，如圖2所示。

如圖3、4所示，通過頂板動態(tài)儀和鉆孔應(yīng)力計實測數(shù)據(jù)分析，3137東一面超前支承壓力明顯影響范圍為35m左右，峰值位置約為18～20m。

圖2 支承壓力觀測儀器布置圖

圖3 超前支承壓力影響范圍示意圖

圖4 超前支承壓力峰值位置示意圖

3 3137東一工作面防動壓監(jiān)測方法

3.1 鉆屑法

通過實測，3137東一面鉆屑法臨界值設(shè)定為1～3 m＜3 kg/m，4～7 m＜4 kg/m，通過工程驗證，臨界值符合3137工作面實際。

東一面回采前，在副上山、運(yùn)輸順槽和軌道順槽進(jìn)行完松動炮卸壓，采用鉆屑法進(jìn)行了卸壓效果的檢驗。實測表明，對比分析鉆屑臨界標(biāo)準(zhǔn)值，副上山內(nèi)共46個鉆屑法檢測鉆孔，運(yùn)輸順槽內(nèi)共14個鉆屑法檢測鉆孔，軌道順槽內(nèi)共9個鉆屑法檢測鉆孔，鉆粉量均沒有超過臨界標(biāo)準(zhǔn)值，沒有動力現(xiàn)象危險。

東一面回采期間，在兩順槽及時進(jìn)行了鉆屑法監(jiān)測，對鉆屑量超標(biāo)的區(qū)域，及時采取了有效的卸壓措施，并用鉆屑法檢驗解危效果，確保危險解除，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

3.2 應(yīng)力監(jiān)測法

3137東一面回采前，在運(yùn)輸順槽布置機(jī)械式鉆孔應(yīng)力計5個，布置電子鉆孔應(yīng)力監(jiān)測儀4個，在副上山布置電子鉆孔應(yīng)力監(jiān)測儀2個，如圖2所示。

采用主動式鉆孔應(yīng)力傳感器進(jìn)行東一面停采線附近及副上山區(qū)域的動力現(xiàn)象危險性監(jiān)測。在運(yùn)輸順槽布置4個，副上山布置8個;如圖5所示。

如圖6、7所示，由于C1、C2主動式鉆孔應(yīng)力傳感器在超前支承壓力范圍內(nèi)，讀數(shù)基本符合超前支承壓力的曲線;其他主動式可定位鉆孔應(yīng)力傳感器的的讀數(shù)整體較小，且波動變化不大，未出現(xiàn)突變。通過傳感器的讀數(shù)可知:通過卸壓巷的卸壓，工作面未出現(xiàn)應(yīng)力異常和大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，未出現(xiàn)動力現(xiàn)象危險。

圖5 應(yīng)力監(jiān)測儀器布置示意圖

圖6 C1、C2應(yīng)力計變化曲線

圖7 C3～C12應(yīng)力計變化曲線

4 防治動壓安全技術(shù)措施

根據(jù)實際經(jīng)驗，主要采用“缺陷法”在工作面布置卸壓巷、采用爆破卸壓進(jìn)行工作面全巷道預(yù)卸壓處理。

4.1 缺陷法卸壓措施

在3137東一面開采之前布置1條卸壓巷，卸壓巷與回風(fēng)順槽沿傾向水平間距為7m，長度為60m。

4.2 爆破卸壓

卸壓爆破屬于內(nèi)部爆破，主要作用是使煤層產(chǎn)生大量裂隙。爆破后，沖擊波首先破壞煤體，然后爆生氣體進(jìn)一步使煤體破裂，由于氣壓作用，形成切向拉應(yīng)力，產(chǎn)生徑向拉伸破裂。當(dāng)裂隙前端應(yīng)力強(qiáng)度因子小于斷裂韌性時，裂隙止裂。造成煤層物理力學(xué)性質(zhì)變化的主要因素是徑向裂隙。裂隙的存在，導(dǎo)致彈性模量減小，強(qiáng)度降低，積聚的彈性能減少，破壞了動力現(xiàn)象發(fā)生的強(qiáng)度條件和能量條件。

4.2.1 工藝過程

(1)鉆孔:在待卸載區(qū)域，按事先設(shè)計的爆破方案，使用風(fēng)鉆沿垂直煤壁平行煤層方向鉆孔，使孔深達(dá)到預(yù)定的深度。

(2)裝藥:將炸藥連同雷管或?qū)П靼匆欢ǖ难b藥方式推入孔中。

(3)封孔:用封孔材料，按一定要求填塞鉆孔剩余部分的全長或一段長度。

(4)起爆:將每個待爆破孔的引線接到母線上，將母線拉到安全地點(diǎn)后接到起爆器上，合上起爆器開關(guān)引發(fā)爆炸。

4.2.2 鉆孔參數(shù)

(1)巷道掘進(jìn)期間卸壓鉆孔布置

在鉆屑法監(jiān)測鉆屑量超標(biāo)的迎頭區(qū)域進(jìn)行巷道迎頭爆破卸壓。

中間鉆孔位于巷道掘進(jìn)迎頭中部;兩邊隔1.0m分別布置一個鉆孔，工作面實體煤側(cè)鉆孔斜向外30°，沿空側(cè)煤柱鉆孔斜向外15°;孔深度7.0m，間距1.0 m，孔徑Φ42 mm，鉆孔斜向上3°～5°，鉆孔距離底板1.2m;正向裝藥，裝藥量為1/4～1/3，長度約為2～3 m，孔內(nèi)并聯(lián)，孔外串聯(lián)，3孔同時起爆，如圖8示。

危險區(qū)域采用3m一個“監(jiān)測－卸壓－監(jiān)測”循環(huán)的方式進(jìn)行動力現(xiàn)象的防治。

圖8 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)迎頭“震動炮”鉆孔布置示意圖

(2)切眼掘進(jìn)期間爆破卸壓布置

在切眼掘進(jìn)之前，在軌道順槽布置3個卸壓爆破孔，鉆孔卸壓爆破孔深度7 m，孔徑Φ42 mm，鉆孔斜向上 3°～5°，鉆孔距離地板1.2 m;正向裝藥，裝藥量為1/3～1/2，長度約為2～3.5 m，孔內(nèi)并聯(lián)，孔外串聯(lián)，多孔同時起爆，如圖9所示。待卸壓后，從運(yùn)輸順槽向軌道順槽方向掘進(jìn)切眼。

圖9 掘進(jìn)切眼前“震動炮”鉆孔布置示意圖

(3)回采前和回采期間區(qū)域布置

在鉆屑法監(jiān)測鉆屑量超標(biāo)的區(qū)域進(jìn)行工作面順槽爆破卸壓。

鉆孔卸壓爆破孔深度7 m，孔徑Φ42 mm，鉆孔斜向上3°～5°，鉆孔距離地板1.2 m;正向裝藥，裝藥量為1/3～1/2，長度約為2～3.5 m，孔內(nèi)并聯(lián)，孔外串聯(lián)，3－5個孔同時起爆，如圖10所示。

圖10 卸壓鉆孔布置圖

4.3 煤層預(yù)注水

煤層預(yù)注水是在采掘工作之前，對煤層進(jìn)行全方位、長時壓力注水。目的是通過壓力水的物理化學(xué)作用，改變煤的物理力學(xué)性質(zhì)，減弱或者消除沖擊危險。

技術(shù)方案設(shè)計:

煤層注水工藝包括鉆孔、封孔和注水3個工序。

注水系統(tǒng)一般由水源泵站和管路組成。水泵出口裝有壓力表和高壓閥門。壓力水經(jīng)高壓軟管和鉆孔閥門注入鉆孔。一般采用單孔注水，在多孔同時注水時應(yīng)安裝流量分配調(diào)節(jié)裝置。封孔方式采用水泥封孔。

注水孔根據(jù)實際條件沿傾向上下行鉆孔布置。注水孔直徑一般為45～90 mm;長度一般為20～100 m，一般按待注水煤體尺寸減15 m計算，或者按待注水煤體尺寸1/2來確定，注水孔間距為30 m，交叉布置，初設(shè)注水壓力為8 MPa，封孔長度為10 m。如圖11示。

圖11 注水孔布置示意圖

4.4 鉆孔卸壓

鉆孔卸壓是利用鉆孔方法消除或減緩動力現(xiàn)象危險的解危措施。此法基于施工鉆屑法鉆孔時產(chǎn)生的鉆孔沖擊現(xiàn)象。鉆進(jìn)愈接近高應(yīng)力帶，由于煤體積聚能量愈多，鉆孔沖擊頻度越高，強(qiáng)度也越大，但鉆孔沖擊時煤粉量顯著增多。因此每一個鉆孔周圍形成一定的破碎區(qū)，當(dāng)這些破碎區(qū)互相接近后，便能使煤層破裂卸壓。煤層支承壓力的峰值部位鉆孔的破裂和卸壓作用如圖12所示。鉆孔卸壓的實質(zhì)是利用高應(yīng)力條件下，煤層中積聚的彈性能來破壞鉆孔周圍的煤體，使煤層卸壓、釋放能量，消除沖擊危險。

大直徑鉆孔卸壓技術(shù)方案設(shè)計:

在鉆屑法監(jiān)測鉆屑量超標(biāo)的區(qū)域進(jìn)行工作面順槽鉆孔卸壓。

大直徑鉆孔卸壓孔深度15 m，孔間距2.0 m(條件允許間距可為1.0 m)，孔徑Φ110 mm，鉆孔斜向上 3°～5°，鉆孔距離底板 1.2 m，如圖 13所示。

圖12 鉆孔的卸壓作用

圖13 大直徑鉆孔卸壓鉆孔布置平面示意圖

5 結(jié)論

當(dāng)對3137東一工作面主要采用“缺陷法”在工作面布置卸壓巷、采用爆破卸壓、煤層注水及打大直徑鉆孔相關(guān)措施后，工作面發(fā)生煤炮次數(shù)呈現(xiàn)明顯下降趨勢，煤炮發(fā)生強(qiáng)度明顯降低，取得了較好的效果。

［1］ 竇林名，鄒喜正，曹勝根，陸菜平.煤礦圍巖控制與監(jiān)測［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版，2007

［2］ 錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及控制［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1991

［3］ 岑傳鴻.采場頂板控制與檢測技術(shù)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998