左凌云

(山西煤炭進出口集團左云長春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

近年來，隨著我國煤炭資源開采強度和深度不斷增加，沖擊地壓動力災(zāi)害發(fā)生的頻度和強度也顯著增大[1-4]，受到?jīng)_擊地壓威脅的礦井?dāng)?shù)量也急劇增加[5，6]。特別是兩面、三面或四面采空的孤島工作面，由于受相鄰采空區(qū)應(yīng)力疊加影響，孤島工作面附近應(yīng)力集中程度、覆巖運動程度更大，相比常規(guī)工作面開采沖擊危險性更高[7-9]。孤島工作面由于開采地質(zhì)條件和采掘情況的復(fù)雜性，難以準(zhǔn)確進行沖擊地壓的危險性評價和危險區(qū)域劃分，從而影響制定合理有效的孤島工作面沖擊地壓防治措施。因此進行沖擊地壓危險性預(yù)測是有效防治沖擊地壓動力災(zāi)害，保證礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)和前提。

針對孤島工作面沖擊地壓的危險性預(yù)測方面，已有很多學(xué)者進行了相關(guān)研究。劉曉斐等[10]采用綜合指數(shù)法和數(shù)值模擬方法進行采前沖擊危險性區(qū)域預(yù)測，采用鉆屑法和電磁輻射法進行開采沖擊危險性局部預(yù)測，所得預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實際吻合度較好。于正興和姜福興等[11]提出以綜合指數(shù)法和沖擊地壓發(fā)生可能性指數(shù)診斷法進行沖擊危險性評價的宏觀評價方法對濟三煤礦53下05孤島工作面進行沖擊地壓危險性評價，評價結(jié)果為工作面提前采取卸壓措施提供了可靠依據(jù)。宋來智和王同旭等[12]采用可能性指數(shù)診斷法對葛亭礦2323半孤島工作面沖擊地壓危險性進行了評價。以往的研究成果對特定條件下的孤島工作面沖擊地壓危險性評價具有一定的指導(dǎo)意義，但仍具有一定的局限性。

兗州礦區(qū)南屯煤礦存在多個孤島工作面，且在2007年及2010年曾發(fā)生過震級2.8級和3.2級的沖擊地壓事故，造成多名工人受傷，巷道支護結(jié)構(gòu)損壞，給礦井造成了很大的經(jīng)濟損失。該礦73上29工作面同樣為孤島工作面，存在沖擊地壓災(zāi)害的威脅，因此合理劃定可能存在沖擊危險的區(qū)域?qū)χ笇?dǎo)該工作面安全生產(chǎn)，防治沖擊地壓災(zāi)害具有非常重要的意義[13-15]。

1 工作面概況

73上29工作面位于七采區(qū)，工作面走向長度為744m，傾斜長度為184m，埋深約為331.5～403.5m；所采煤層為3上煤，煤層厚度為1.6～7.5m，平均為6.1m；煤層傾角平均為5°，普氏硬度為f=2～3。經(jīng)鑒定，3上煤層具有強沖擊傾向性。該工作面為孤島工作面，西部靠近73上28工作面采空區(qū)，東部靠近73上26等工作面采空區(qū)，北部靠近風(fēng)氧化帶，南部鄰近風(fēng)氧化帶及73上13等工作面采空區(qū)。該工作面煤層及頂?shù)装鍘r層分布情況如圖1所示。

圖1 工作面煤層及頂?shù)装鍘r層分布情況

2 工作面沖擊危險性評價

2.1 綜合指數(shù)法評價

2.1.1 地質(zhì)因素確定沖擊危險等級

根據(jù)79上29工作面地質(zhì)條件及影響沖擊地壓發(fā)生危險的因素確定了各地質(zhì)因素的危險指數(shù)，見表1。

表1 地質(zhì)條件影響下73上29工作面危險性等級

將表1中各地質(zhì)因素的危險指數(shù)具體參數(shù)代入式(1)，得到73上29工作面地質(zhì)因素影響下沖擊危險指數(shù)Wt1為0.84。

式中，Wi為第i個影響因素的實際指數(shù)；Wimax為第i個影響因素的最大的危險指數(shù)；n1為影響因素的個數(shù)。

2.1.2 開采因素確定沖擊危險等級

根據(jù)79上29工作面開采技術(shù)條件及影響沖擊地壓發(fā)生危險的因素確定了各開采技術(shù)因素的危險指數(shù)，見表2。

表2 開采技術(shù)條件影響下73上29工作面危險性等級

將工作面開采技術(shù)因素的危險指數(shù)具體參數(shù)代入式(2)，得到73上29工作面開采技術(shù)因素影響下沖擊危險指數(shù)Wt2為0.51。

2.1.3 綜合評價結(jié)

綜合地質(zhì)因素以及開采技術(shù)因素分析，得到Wt=max{Wt1，Wt2}=max{0.84，0.51}=0.84，即通過綜合指數(shù)法可以確定73上29工作面沖擊危險性綜合指數(shù)為0.84，具有強沖擊危險。

2.2 可能性指數(shù)法評價

2.2.1 可能性指數(shù)

工作面開采前的應(yīng)力集中系數(shù)為1.4～1.8，平均值為1.6；73上29工作面煤層為強沖擊傾向性煤層，單軸抗壓強度為27.42～36.41MPa，平均值為31.92MPa。設(shè)“應(yīng)力”和“煤層沖擊傾向性”為誘發(fā)沖擊地壓的因素。

2.2.2 應(yīng)力對“沖擊地壓”事件的隸屬度

73上29工作面煤層平均埋深331.55m，代入式(3)可得UIC=0.407×0.5=0.204。

式中，k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為巖石重度，N/m3；H為采深，m；[σc]為煤層單軸抗壓強度，MPa。

2.2.3 煤層沖擊傾向性對沖擊地壓事件的隸屬度

實驗室測定結(jié)果顯示，73上29工作面煤層的彈性能量指數(shù)為8.54～10.83，平均值為9.69。根據(jù)式(4)計算得到，煤巖的沖擊傾向性對“發(fā)生沖擊地壓”事件的隸屬度UWET為1.0。

式中，WET為沖擊傾向性彈性能量指數(shù)。

2.2.4 計算沖擊地壓發(fā)生的可能性指數(shù)

基于上述計算，73上29工作面基于可能性指數(shù)的沖擊地壓評價結(jié)果為U=0.602，具備了發(fā)生沖擊地壓的條件。

3 工作面沖擊危險區(qū)域劃分與等級確定

3.1 工作面覆巖運動的影響

3.1.1 老頂?shù)某醮纹茢嚯A段

頂板以砂巖為主，73上29工作面初次破斷來壓期間，考慮不利因素，理論垮落帶巖層高度為：

可見理論垮落帶巖層高度為18.01m，考慮最不利因素，整個垮落帶老頂巖層作為一層分層整體破斷垮落，初步計算老頂分層梁式斷裂的極限跨距為：

式中，h為老頂?shù)谝环謱雍穸?，依?jù)中粒砂巖的厚度，取17.71m；RT為極限抗拉強度，依據(jù)中粒砂巖極限抗拉強度的平均值，取7.59MPa；q為根據(jù)組合梁原理計算的均布載荷，中粒砂巖老頂控制的巖層載荷為0.43MPa。

計算得到老頂?shù)某醮蝸韷翰骄?5.91m，根據(jù)老頂初次來壓前后20m為主要影響范圍，則工作面主要影響范圍為距切眼區(qū)域66～106m。73上29工作面開采過程中，中粒砂巖老頂初次垮落期間，工作面壓力急劇升高，發(fā)生沖擊地壓的可能性較大，應(yīng)加強頂板支護，提高支架的初撐力。

危險區(qū)域劃分：老頂初次來壓前后20m為中等危險區(qū)域。

3.1.2 工作面“見方”階段

工作面推進至距切眼185m(工作面面長)時為“一次見方”階段，此時采空區(qū)頂板巖層受力發(fā)生變化，易發(fā)生沖擊地壓事故，主要受影響范圍為前后50m范圍。因此73上29工作面初次“見方”、二次“見方”和三次“見方”階段與開切眼間距見表3。

危險區(qū)域劃分：初次“見方”段前后50m范圍為嚴(yán)重危險區(qū)域，二次“見方”、三次“見方”階段前后20m范圍為中等危險區(qū)域。

表3 73上29工作面見方階段與切眼距離

根據(jù)以上對73上29工作面初次破斷及見方區(qū)域的沖擊危險性分析，劃分了3類沖擊地壓危險區(qū)域，并將這些危險區(qū)域劃分為：嚴(yán)重危險區(qū)域、中等危險區(qū)域、一般危險區(qū)域。73上29工作面危險區(qū)域劃分(覆巖運動)如圖2所示。

圖2 73上29工作面危險區(qū)域劃分(覆巖運動)

3.2 采空區(qū)煤柱影響

采空區(qū)邊界煤柱一般承載了較高的集中應(yīng)力，極易可能誘發(fā)沖擊地壓危害。73上29工作面周圍采空區(qū)內(nèi)分布有多條區(qū)段煤柱，將對該工作面的安全回采造成不同程度的影響。同時由于該工作面為孤島工作面，上覆巖層自重應(yīng)力將全部集中在前方煤體和周邊煤柱上，承載煤體經(jīng)歷了多次開采擾動內(nèi)部破壞程度較高，承載能力已大幅降低，對73上29工作面安全回采造成顯著影響。

危險區(qū)域劃分：區(qū)段煤柱及前后20m范圍為嚴(yán)重危險區(qū)域，煤柱前后20～50m范圍為中等危險區(qū)域。73上29工作面危險區(qū)域劃分(采空區(qū)煤柱)如圖3所示。

圖3 73上29工作面危險區(qū)域劃分(采空區(qū)煤柱)

3.3 工作面沖擊危險區(qū)域劃分與等級確定匯總

根據(jù)以上對73上29工作面沖擊危險性的多因素評價，劃分出了不同影響因素下的沖擊危險區(qū)域，其不同影響因素造成的沖擊地壓危險水平是不同的。對于73上29工作面，通過單個因素影響范圍的疊加，并結(jié)合每類因素所造成的危險水平的不同，將這些危險區(qū)域劃分為三類：嚴(yán)重危險區(qū)域5個，中等危險區(qū)域6個，其他為一般危險區(qū)域。具體危險區(qū)域劃分見表4。

表4 73上29工作面危險區(qū)域統(tǒng)計表

4 工作面沖擊地壓防治措施及效果檢驗

4.1 大直徑鉆孔卸壓

掘進期間迎頭應(yīng)力較大，掘進前在兩個工作面巷道的掘進頭，垂直于掘進斷面打超前卸壓鉆孔，鉆孔直徑150mm，鉆孔深度20m，鉆孔呈正三花眼和倒三花眼交替布置，如圖4所示，卸壓鉆孔完成后，可以開始掘進巷道。開掘至距超前卸壓鉆孔底部5m時停止掘進，并開始打下一輪的超前鉆孔，如此往復(fù)。

圖4 巷道掘進迎頭大直徑鉆孔卸壓方案

4.2 煤體爆破卸壓

若大直徑鉆孔卸壓未能起到預(yù)期的卸壓效果，鉆屑量監(jiān)測超過臨界值或在鉆進過程中有吸鉆、卡鉆、頂鉆等動力現(xiàn)象及其他監(jiān)測手段監(jiān)測到的沖擊地壓危險區(qū)域，可采取煤體爆破卸壓措施，降低區(qū)域的沖擊危險程度，之后再次進行沖擊危險性監(jiān)測，直到?jīng)_擊危險性消除或應(yīng)力明顯降低后方可進行正常施工。在異常區(qū)域進行煤體爆破卸壓時，確定孔距的原則為：爆破后所形成的破壞區(qū)(壓碎區(qū)和破裂區(qū))應(yīng)相互貫通，以便使兩者連接形成完全的卸壓帶，爆破鉆孔間距優(yōu)化如圖5所示，因此根據(jù)壓碎區(qū)和破裂區(qū)的寬度就可確定爆破孔間距。

圖5 爆破鉆孔間距優(yōu)化

煤體卸壓爆破鉆孔施工位置為監(jiān)測沖擊地壓危險區(qū)域前后10m范圍，鉆孔深度不小于10m，間距5～10m，孔徑42mm，單孔裝藥量3～5kg，封孔長度不小于6m。煤體卸壓爆破布置如圖6所示。

圖6 煤體卸壓爆破布置

4.3 沖擊地壓防治措施效果檢驗

對73上29工作面兩巷發(fā)生沖擊地壓的一般危險區(qū)域和中等危險區(qū)域采用在掘進迎頭施工大直徑鉆孔的方案進行卸壓，在嚴(yán)重危險區(qū)域采用在掘進迎頭施工大直徑鉆孔配合煤體卸壓爆破的方案進行卸壓防沖，并通過鉆屑法對卸壓效果進行監(jiān)測和檢驗，監(jiān)測結(jié)果顯示鉆屑量普遍小于規(guī)定的臨界值且沒有出現(xiàn)吸鉆、卡鉆、頂鉆等動力現(xiàn)象，說明采取的解危措施有效，達到了降低或消除沖擊地壓危險的目的。

5 結(jié) 論

1)綜合指數(shù)法確定工作面沖擊危險性綜合指數(shù)為0.84，具有強沖擊危險；工作面基于可能性指數(shù)的沖擊地壓評價結(jié)果為U=0.602，具備了發(fā)生沖擊地壓的條件。

2)受工作面覆巖運動的影響劃分2個嚴(yán)重危險區(qū)域、5個中等危險區(qū)域；受采空區(qū)煤柱影響的區(qū)段煤柱及前后20m范圍為嚴(yán)重危險區(qū)域，煤柱前后20～50m范圍為中等危險區(qū)域；根據(jù)沖擊危險性的多因素分析，劃分為5個嚴(yán)重危險區(qū)域，6個中等危險區(qū)域?；夭蛇^程中應(yīng)在以上危險區(qū)域做好預(yù)警監(jiān)測工作，并及時采取有效卸壓措施。

3)針對不同沖擊地壓危險區(qū)域，采用大直徑鉆孔卸壓以及煤體爆破卸壓的方式進行沖擊地壓解危處理，監(jiān)測結(jié)果顯示解危措施合理有效。