李孝波 王聯(lián)合

摘 要：為解決特厚煤層綜放工作面沖擊地壓問題，以某礦2101綜放工作面為研究對象，從引發(fā)沖擊地壓的原因入手，通過分析可知綜放工作面沖擊地壓主要影響因素為開采深度、煤柱寬度、地質(zhì)構(gòu)造等，結(jié)合影響因素采取加強(qiáng)支護(hù)、回采過程中預(yù)測預(yù)報(bào)、及時(shí)卸壓解危、安全防護(hù)等措施，有效防止了礦井沖擊地壓事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：特厚煤層；預(yù)測預(yù)報(bào)；沖擊地壓；綜合防治

1 引言

隨著我國煤礦開采深度和強(qiáng)度逐年增加，許多礦井相繼進(jìn)入深部開采階段，礦震、沖擊礦壓等重大災(zāi)害相繼出現(xiàn)，是深部礦井實(shí)現(xiàn)綠色開采亟待解決的難題。特別是大采高綜放工作面大規(guī)模、高強(qiáng)度的開采擾動(dòng)，不僅導(dǎo)致垮落帶覆巖劇烈運(yùn)動(dòng)，并且周圍采空區(qū)中已經(jīng)存在的空間平衡結(jié)構(gòu)也將進(jìn)一步失穩(wěn)，而未斷裂的巖層會(huì)與工作面協(xié)同破斷運(yùn)動(dòng)，從而誘發(fā)沖擊礦壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害。文章從引發(fā)沖擊地壓的原因入手，對該礦2101綜放工作面開采過程中覆巖破斷失穩(wěn)引起的沖擊礦壓進(jìn)行三維實(shí)時(shí)監(jiān)測，為沖擊地壓解危方案的制定、實(shí)施提供有效依據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐，形成適合該礦特色的沖擊地壓綜合防治技術(shù)。

2 工作面概況

2101綜放工作面主采為2號(hào)煤層，賦存穩(wěn)定，厚度15～26.5m，平均厚度24m；采用綜合放頂煤開采，其中上分層平均可采厚度13.5m。煤層埋深+613.8～+690.6m，傾角3°～5°，平均傾角為3°?？傮w趨勢從工作面南側(cè)向北側(cè)煤層底板逐步降低，其中最低處為A3向斜軸部附近，最高處為切眼附近。工作面順槽1079～1119m段有一古河床沖刷帶，并在工作面中分流沖刷，延伸至整個(gè)工作面，最大垂直沉積5～7m。

由于礦井接續(xù)緊張，在2101綜放工作面東側(cè)布置2102接續(xù)工作面， 工作面布置如圖1所示。

3 沖擊地壓發(fā)生因素分析

隨著開采深度的不斷增加，沖擊地壓的頻度和強(qiáng)度以及破壞程度也將逐漸增大。2101工作面開采深度達(dá)640m，根據(jù)國內(nèi)礦井發(fā)生沖擊地壓的初始采深統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，各采掘工作面均已具備發(fā)生沖擊地壓的埋深條件，其主要影響因素如下。

3.1 煤層沖擊傾向性及頂板條件

煤層沖擊傾向性對強(qiáng)礦壓的發(fā)生具有顯著影響，是強(qiáng)礦壓發(fā)生的內(nèi)在本質(zhì)影響因素，經(jīng)檢測2#煤屬于Ⅲ類強(qiáng)沖擊傾向性的煤層，2#煤頂板巖層彎曲能量指數(shù)為19.75kJ，屬Ⅱ類具有弱沖擊傾向性的頂板巖層。且該礦2#煤層上方有約28m中粒砂巖、32m礫砂巖等堅(jiān)硬巖層。該砂巖頂板容易聚積大量的彈性能，在破碎或滑移過程中，可能會(huì)突然釋放大量的彈性能，形成強(qiáng)烈震動(dòng)，也容易導(dǎo)致頂板型強(qiáng)礦壓的發(fā)生。

3.2 巷道優(yōu)化布置

煤柱是產(chǎn)生應(yīng)力集中的地點(diǎn)，孤島形和半島形煤柱可能受幾個(gè)方向集中應(yīng)力的疊加作用，使得煤柱附近煤體應(yīng)力集中程度大，因而在煤柱附近最易發(fā)生沖擊地壓。區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸，影響煤柱及巷道應(yīng)力分布，大煤柱留設(shè)容易造成煤柱及巷道側(cè)應(yīng)力集中，巷道底臌、兩幫移近等變形明顯。留小煤柱易造成采空區(qū)貫通，不利于水、火有毒氣體的隔離。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約60%的強(qiáng)礦壓是由于鄰近煤層采空區(qū)中遺留煤柱或本層遺留煤柱引起的。2101及鄰近工作面采用雙巷布置，煤柱寬度20m。如圖2可以看出，煤柱應(yīng)力很高，易引發(fā)沖擊地壓。

在巷道轉(zhuǎn)彎、交叉位置容易形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生大量震動(dòng)，是容易發(fā)生沖擊礦壓事故的區(qū)域。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性或生產(chǎn)接替需要導(dǎo)致2101和2102工作面布局不合理，巷道交叉多，造成采掘空間局部應(yīng)力集中，顯著增加了沖擊礦壓發(fā)生的可能性。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

2101綜放工作面地質(zhì)構(gòu)造主要為A3向斜以及A1向斜，在這些地質(zhì)構(gòu)造區(qū)附近，由于存在著地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場，工作面經(jīng)過A3向斜、A1向斜及古河床沖刷帶時(shí)在拉伸、擠壓應(yīng)力的作用下會(huì)造成應(yīng)力集中，在采掘活動(dòng)的誘發(fā)下可能釋放能量而產(chǎn)生沖擊地壓。

該礦的地應(yīng)力主要為水平應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力在18.04～33.87MPa之間，屬于高及超高應(yīng)力區(qū)。最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的比值介于2.05～2.53之間，在量值上相差較大，這使得水平應(yīng)力對巷道頂、底板的影響表現(xiàn)出較明顯的方向性。測點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方位角集中在239～255°之間，與該礦多數(shù)工作面順槽軸向夾角均大于59°，與多數(shù)大巷軸向夾角均小于31°，因此水平主應(yīng)力對工作面順槽的頂、底板影響較大。

4 沖擊地壓綜合防治技術(shù)

4.1 加強(qiáng)支護(hù)

工作面運(yùn)輸巷正頭采用一組端頭支架及3架過渡架支護(hù)，回風(fēng)巷端頭采用3架過渡支架支護(hù)。超前支護(hù)段延伸至距煤壁不小于150m，采用單體配合鉸接梁進(jìn)行支護(hù)，必要時(shí)采取架設(shè)U29棚或工字鋼棚等特殊措施。

4.2 預(yù)測預(yù)報(bào)

4.2.2 微震及地音監(jiān)測

采用ARAMIS微震監(jiān)測系統(tǒng)（圖3）、ARES-5/S地音監(jiān)測系統(tǒng)（圖4）對工作面回采過程過覆巖結(jié)構(gòu)形態(tài)變化及失穩(wěn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為工作面危險(xiǎn)區(qū)域確定、沖擊預(yù)測提供可靠的依據(jù)。

4.2.2 KJ216礦壓監(jiān)測系統(tǒng)

采用由頂板在線監(jiān)測、工作面支架壓力監(jiān)測、煤巖應(yīng)力在線監(jiān)測、錨桿（索）應(yīng)力在線監(jiān)測形成的KJ216礦壓監(jiān)測系統(tǒng)對工作面回采過程中頂板來壓、煤巖應(yīng)力集中及超前支護(hù)段錨桿（索）受力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，結(jié)合微震及地音監(jiān)測系統(tǒng)確定詳細(xì)的沖擊危險(xiǎn)時(shí)空位置，為卸壓解危措施制定、實(shí)施提供有效的方案。

4.2.3 鉆屑監(jiān)測

鉆屑法是通過在煤層中利用液壓鉆機(jī)打直徑Φ42mm的鉆孔，根據(jù)排出的煤粉量及其變化規(guī)律和有關(guān)動(dòng)力效應(yīng)、鑒別強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)的一種方法。經(jīng)微震地音監(jiān)測和KJ216礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng)確定的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，必須進(jìn)行鉆屑檢測。判別工作地點(diǎn)強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)性的鉆粉率指標(biāo)如表1，當(dāng)測定的煤粉超過臨界煤粉量，或者打鉆過程中出現(xiàn)卡鉆、 吸鉆等異常現(xiàn)象時(shí)，則表明該地點(diǎn)具有沖擊危險(xiǎn)性，必須立即進(jìn)行解危處理。

4.3 強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)解危方法

針對2101工作面強(qiáng)礦壓的特點(diǎn)，強(qiáng)礦壓防治工作應(yīng)貫穿整個(gè)工作面的準(zhǔn)備至回采階段。工作面回采前，可以采取在工作面兩側(cè)和底板施工大直徑卸壓鉆孔的措施降低強(qiáng)礦壓危險(xiǎn)。工作面回采階段，強(qiáng)礦壓防治則可以采取邊回采邊監(jiān)測邊治理的動(dòng)態(tài)解危方法?；夭蛇^程中，除了超前工作面施工大直徑卸壓鉆孔外，對厚硬難冒頂板采取頂板深孔爆破措施致裂頂板，防止頂板突然斷裂造成沖擊。根據(jù)微震、地音和鉆屑法的監(jiān)測結(jié)果確認(rèn)已處于臨界危險(xiǎn)狀態(tài)，應(yīng)停止工作面回采并加密幫部及底板大孔徑卸壓鉆孔，直至鉆屑檢測值小于臨界值或在鉆進(jìn)過程中無動(dòng)力現(xiàn)象為止。

4.3.1 幫部大直徑鉆孔卸壓

根據(jù)礦壓特點(diǎn)，2101工作面前方150m范圍左右為應(yīng)力峰值區(qū)域，該區(qū)域是強(qiáng)礦壓多發(fā)區(qū)域，是防治工作的重點(diǎn)，因此需超前工作面 150m對兩順槽煤壁施工大直徑鉆孔卸壓，使煤體深部具有較大面積的自由面，在保證巷道圍巖穩(wěn)定性的同時(shí)能最大限度的卸壓。鉆孔方向與順槽煤幫垂直，孔徑Φ113mm，孔間距為1.4～2.8m，封孔長度3m，孔深13～20m，孔距底板1m左右。

4.3.2 底板大孔徑卸壓

超前工作面150m對工作面兩順底板進(jìn)行大直徑鉆孔卸壓。鉆孔方向與回采方向一致，俯角60°，孔徑Φ113mm，孔間距1.4m，封孔長度3m，鉆孔長度10m左右，確保底板上方留設(shè)1m厚的煤層。

4.3.3 頂板深孔爆破

根據(jù)該礦強(qiáng)礦壓區(qū)域劃分，在2101工作面回風(fēng)巷側(cè)有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性，應(yīng)該進(jìn)行頂板深孔爆破致裂頂板。頂板爆破范圍為工作面超前200m，深孔采用礦用風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)及配套鉆桿施工，鉆孔直徑65mm，沿工作面推進(jìn)方向頂板每10m布置一個(gè)鉆孔，沿巷道方向的鉆孔布置在距煤壁側(cè)約1.5m的頂板上，炮眼深度45m，單排布置，與水平方向成75°夾角朝向老頂方向。

4.4 安全防護(hù)

4.4.1 系統(tǒng)防護(hù)

（1）嚴(yán)格做好回風(fēng)巷把口工作，生產(chǎn)期間，嚴(yán)禁任何人員進(jìn)入回風(fēng)巷。（2）回風(fēng)巷超前400m范圍內(nèi)除必要的作業(yè)人員外，無關(guān)人員禁止逗留，不得存放閑置物料，必須存放的物料和設(shè)備必須按要求進(jìn)行捆綁。（3）運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷保持壓風(fēng)管路正常供風(fēng)，每50m安設(shè)一組壓風(fēng)自救裝置。（4）工作面生產(chǎn)實(shí)行遠(yuǎn)距離供電、供液，移變列車必須安放運(yùn)輸巷400m以外，并進(jìn)行巷道軟包。

4.4.2 個(gè)體防護(hù)

（1）進(jìn)入2101工作面的所有作業(yè)人員必須穿戴防沖背心和防沖頭盔，嚴(yán)禁摘掉防沖帽，必須穿齊個(gè)人防護(hù)用品。（2）定期對全員進(jìn)行防沖基礎(chǔ)知識(shí)、專項(xiàng)防沖安全措施學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，經(jīng)考試合格后方可上崗作業(yè)。

5 結(jié)束語

按照“預(yù)測預(yù)報(bào)、逢掘必卸、不卸不掘、強(qiáng)卸強(qiáng)支”的十六字方針，通過加強(qiáng)支護(hù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警及卸壓防治措施的有效落實(shí)，2101綜放工作面沖擊危害程度顯著降低，沖擊地壓隱患基本得到了控制，未出現(xiàn)大的沖擊地壓顯現(xiàn)事故，說明上述沖擊地壓綜合防治技術(shù)是科學(xué)有效的，它扭轉(zhuǎn)了沖擊地壓不可防、不可控的被動(dòng)管理局面，有效地保護(hù)了職工的生命安全，最大限度降低了財(cái)產(chǎn)損失，有力地保障了礦井的安全生產(chǎn)。

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作者簡介：李孝波（1962-），男，研究生學(xué)歷，高級工程師，1986年畢業(yè)西安科技大學(xué)采礦專業(yè)，主要從事煤礦開采和管理工作。