楊建坤

(大同煤礦集團同生煤礦生產管理有限責任公司 通風部，山西 大同 037000)

1 礦井概況

郭屯煤礦位于山東省菏澤市鄆城縣境內，地面標高+41.60～+45.38 m，主要含煤地層為下二迭統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，首采及主采煤層為3(3下)煤層。礦井采用立井單水平上下山開拓方式，設主井、副井、風井三個井筒，井底水平標高-808 m。中央并列抽出式通風方式，屬低瓦斯礦井，礦井地質類型、水文地質類型均為中等。礦井主采煤層為3煤層，開采標高-600～-1 200 m，采煤方法為單一長壁后退式采煤法，綜采(放)回采工藝，全部垮落法管理頂板。一般巖石巷道采用炮掘工藝，煤巷采用綜掘工藝。2019年6月經中國安全生產科學研究院鑒定，郭屯煤礦3煤層(合并區(qū))及其頂底板均屬于Ⅱ類，具有弱沖擊傾向性。郭屯煤礦自2010年3月投產以來未發(fā)生過沖擊地壓事故，但井下煤炮、崩斷錨桿等動力現象時有發(fā)生，特別隨著開采范圍不斷增加,以及開采條件的逐漸復雜，受沖擊地壓的威脅越來越嚴重。

2 沖擊危險因素分析

2.1 地質因素

(1)煤層埋深較大，部分區(qū)域已超過800 m，煤巖層本身具有沖擊傾向性，已具備發(fā)生沖擊地壓的條件。

(2)部分區(qū)域頂底板巖層較為堅硬且厚度不均，雖然3煤層上方基巖段較薄，但有少部分區(qū)域存在厚度超過10 m的堅硬巖層，發(fā)生斷裂時極易誘發(fā)礦震型沖擊地壓.

(3)地質構造較為復雜，目前開采區(qū)域內存在多條褶曲、斷層，受采掘擾動、采空區(qū)側向支撐應力等因素影響，易造成應力疊加。

(4)相變帶影響，煤層相變帶區(qū)域本身存在高應力，工作面推進至該區(qū)域時易造成應力集中。局部區(qū)域存在巖漿巖侵蝕區(qū)，應力程度較高，工作面回采過程中應力疊加，也易造成應力集中。

2.2 開采技術條件

(1)受地質構造因素影響部分工作面形成不規(guī)則、不等寬煤柱，應力疊加后，煤柱內集中的應力容易失穩(wěn)，易發(fā)生沖擊危險。

(2)工作面采用全部垮落法管理頂板，初次來壓及周期來壓現象比較明顯，當采空區(qū)頂板垮落時，頂板受力由靜載荷向動載荷轉變，增加了沖擊地壓發(fā)生的危險性。

3 沖擊地壓監(jiān)測方法

礦井區(qū)域監(jiān)測方法采取微震監(jiān)測法，局部監(jiān)測方法主要采取應力監(jiān)測法和鉆屑法。堅持以防沖監(jiān)測系統(tǒng)為基礎，形成了以微震區(qū)域監(jiān)測、應力在線及鉆屑法局部監(jiān)測為主的沖擊地壓綜合監(jiān)測體系。

3.1 微震監(jiān)測法

區(qū)域監(jiān)測采用24通道ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)屬于中尺度微震監(jiān)測系統(tǒng)，定位誤差20～50 m，可定位較大能量的沖擊事件和礦震[1]。該系統(tǒng)通過統(tǒng)計整個礦井內微震事件的震源位置、發(fā)生時間、釋放的能量，進而統(tǒng)計微震活動的強弱和頻率，并結合微震事件分布的位置判斷潛在的礦山動力災害活動規(guī)律，通過識別礦山動力災害活動規(guī)律實現危險性評價和預警，宏觀劃定危險區(qū)域。

微震監(jiān)測法沖擊地壓預警指標：

(1)掘進工作面：工作面內發(fā)生單個能量達到或超過1.0×104 J的微震事件，預測有沖擊危險。

(2)采煤工作面：工作面內發(fā)生單個能量達到或超過1.0×105 J的微震事件，預測有沖擊危險。

(3)24 h微震事件總能量預警值

①掘進工作面24 h之內釋放總能量超過1×105 J，為日釋放總能量預警。

哈哈，我贏了！林強信在我身后爆發(fā)出一串狼外婆的干笑。我忽然停下腳步，緩緩地轉過身，一字一頓地說，是的，你贏了，可是我為你感到悲哀！悲哀，你懂么？你不會懂，因為你的良心被欲望淹沒了。其實，你輸掉了很多，很多。

②采煤工作面24 h之內釋放總能量超過1×106 J，為日釋放總能量預警。

3.2 應力監(jiān)測法

利用KJ550、KJ615、KJ24煤礦沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測工作面前方采動應力場的變化情況，判定高應力區(qū)及其變化趨勢，實現沖擊地壓危險區(qū)和危險程度的實時監(jiān)測預警[2]。

掘進工作面測點布置：測站間距50 m，每個測站內設置兩個應力測點，埋設深度分別為8 m、14 m，測點間距0.5～1 m。應力監(jiān)測重點監(jiān)測區(qū)域為迎頭后方50～300 m范圍。掘進工作面應力在線監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 掘進工作面應力在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

采煤工作面測點布置：初次安裝距切眼30 m布置1號測站，依次向外間隔25 m布置1組測站，每組測站包括2個測點，測點深度分別為8 m和14 m，測點間隔0.5～1 m。隨工作面推進，及時拆卸前移，保證監(jiān)測范圍不小于250 m。應力計安裝后進行注油打壓，初始壓力不低于5～6 MPa，當應力計壓力值下降到4 MPa以下時，進行補油打壓。采煤工作面應力在線監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 采煤工作面應力在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

應力監(jiān)測法沖擊地壓預警指標：根據回采工作面超前、掘進工作面滯后和大巷保安煤柱煤巖體應力應變顯現不同，設置了應力場預警閾值，分“低應力預警、黃色預警和紅色報警”3級預警，旨在通過降低系統(tǒng)預警閾值，提高應力煤體預警級別，將預警與卸壓工程前置，消除煤體高彈性沖擊危險，避免出現黃色預警、杜絕紅色報警，確保低應力保護。應力在線預警指標如表1所示。

3.3 鉆屑法

通過在煤體中鉆Φ42～44 mm鉆孔，根據鉆孔時在不同深度排出的煤粉量及其變化規(guī)律以及有關動力現象判斷沖擊危險[3]。一般情況使用手持式氣動鉆機進行施工，在檢測地點巷道兩側應力集中程度無差別的情況下，在便于施工的一側施工；在兩側受力不一樣的情況下，在應力高的一側施工。根據煤粉量預警指標及鉆進過程中的動力現象判定危險程度，發(fā)現存在沖擊危險立即采取解危卸壓措施。同時在微震、應力在線兩種監(jiān)測方式判定出危險區(qū)域后，再利用鉆屑法進行最終驗證，發(fā)現沖擊危險立即采取解危卸壓措施。

鉆屑法沖擊地壓預警指標：若鉆屑量超過臨界煤粉量，或在鉆孔過程中出現嚴重的卡鉆、吸鉆及聲響等動力現象，則判定有沖擊危險，臨界煤粉量指標如表2所示。

表2 臨界煤粉量指標

4 防沖擊地壓治理措施

為保證在具有沖擊地壓危險的煤層中掘進安全，根據“應力三向化轉移”原理，如圖3所示，對具有沖擊地壓危險的局部區(qū)域采用大直徑鉆孔進行卸壓[4]。大直徑鉆孔引起巷道深部圍巖(鉆孔遠端附近圍巖)發(fā)生結構性破壞，形成一個弱化帶，引起巷道周邊圍巖內的高應力向深部轉移，從而使巷道周邊附近圍巖處于低應力狀態(tài)，當發(fā)生沖擊時，一方面大直徑鉆孔的空間能夠吸收沖出的煤粉，防止煤體沖出，另一方面卸壓區(qū)內頂底板的閉合產生“楔形”阻力帶，也能夠防止煤體沖出而發(fā)生災害。

圖3 應力三向化轉移原理

4.1 掘進工作面迎頭卸壓方案

根據巖石力學基本理論可知，巷道在掘進過程中，掘進迎頭位置處圍巖應力為0 Mpa，一般沿巷道掘進方向迎頭前方4～6 m處為應力峰值位置，厚煤層則達到7～9 m，如圖4所示[5]。

巷道在掘進過程中，掘進迎頭位置的巷道塑性圈還未出現，如圖5中A-A剖面；隨著掘進迎頭的前進，距離掘進迎頭30～50 m范圍內的巷道圍巖出現塑性圈，且塑性圈處于動態(tài)發(fā)展演化狀態(tài)，塑性圈斷面范圍不斷擴大、圍巖應力持續(xù)調整的階段，如圖中B-B剖面；當迎頭前進一定距離后，距離掘進迎頭30～50 m范圍之外巷道塑性圈斷面范圍趨于穩(wěn)定，巷道圍巖處于動態(tài)平衡狀態(tài)，如圖中C-C剖面。

圖4 掘進迎頭超前應力分布巷道剖面圖

圖5 巷道斷面塑性圈動態(tài)發(fā)展演化過程

在掘進工作面迎頭平行于煤層施工鉆孔，垂直于煤壁開孔，鉆孔直徑150 mm，間距0.5 m，開孔高度距底板0.5～1.5 m，深度不小于20 m，采用預留10 m保護帶的方式進行循環(huán)施工。弱沖擊地壓危險區(qū)施工一個鉆孔；中等沖擊地壓危險區(qū)施工兩個鉆孔；強沖擊地壓危險區(qū)施工三個鉆孔。如圖6所示。

4.2 掘進工作面幫部卸壓方案

掘進工作面幫部卸壓參數根據煤層厚度確定，主要分兩種情況，幫部大直徑鉆孔預卸壓設計參數如表3所示。

圖6 迎頭大直徑鉆孔巷道斷面布置示意圖

表3 幫部大直徑鉆孔預卸壓設計參數

4.3 回采工作面卸壓方案

回采工作面上方的細砂巖隨著工作面的推進，懸露面積繼續(xù)增大，細砂巖逐漸形成支點分別位于工作面前方和切眼后方煤體的支撐結構，如圖7所示。這種結構首先在兩個支撐點上表面拉壞，然后在巖梁中部下表面拉壞后斷裂，有可能誘發(fā)沖擊地壓。因此采煤工作面回采前，兩順槽超前工作面煤壁不小于200 m進行覆蓋式鉆孔卸壓。回采工作面幫部大直徑鉆孔預卸壓設計參數如表4所示。

圖7 老頂初次來壓的力學分析

表4 工作面幫部大直徑鉆孔預卸壓設計參數

4.4 底煤處理措施

巷道在掘進過程中受地質條件影響，存在留底煤現象的，如圖8所示，采取以下措施：底煤厚度不足0.5 m的利用綜掘機截割頭將底煤破壞；底煤厚度超過0.5 m，必須采取鉆孔斷底卸壓。斷底卸壓距掘進工作面最大距離不超過10 m，孔徑110 mm,間排距為0.8～1.0 m，深度見巖為止，鉆孔后及時灌水軟化煤體。

圖8 過斷層留底煤位置示意圖

5 現場防護措施

5.1 個體防護裝備

現場采掘工作面配備防沖服，進入強沖擊危險區(qū)域的人員必須穿防沖服。

5.2 壓風自救裝置

有沖擊地壓危險的采掘工作面必須設置壓風自救系統(tǒng)[6]。應當在距采掘工作面25～40 m的巷道內、爆破地點、撤離人員與警戒人員所在位置、回風巷有人作業(yè)處等地點,至少設置1組壓風自救裝置。壓風自救系統(tǒng)管路可以采用耐壓膠管，每10～15 m預留0.5～1.0 m的延展長度。

5.3 物料生根固定

對沖擊地壓危險區(qū)域巷道內存放的所有物料、設備進行固定生根，我礦主要利用物料架、自制皮帶條、鋼絲繩等形式進行生根固定。

5.4 錨桿、錨索防崩

為防止沖擊危險區(qū)域錨桿、錨索崩斷傷人，對回采工作面和煤巷、半煤巖掘進迎頭所有支護錨桿、錨索進行防崩。具體要求“14323”，即：“1”一根鐵絲、一個方向，“4”14#鐵絲；“3”一側生根點纏繞3圈，“2”錨桿頭的固定點纏繞2圈，“3”另一側生根點纏繞3圈。

5.5 限員管理

采煤工作面和順槽超前300 m以內不得超過16人；順槽長度不足300 m的，在順槽與采區(qū)巷道交叉口以內不得超過16人；掘進工作面200 m范圍內不得超過9人；掘進巷道不足200 m的，在工作面回風流與全風壓風流混合處以內不得超過9人。

6 結 語

郭屯煤礦嚴格落實“區(qū)域先行、局部跟進、分區(qū)管理、分類防治”的防沖原則，不斷優(yōu)化采場布局，通過對工作面布置進行分析論證，優(yōu)化采掘設計，合理安排采掘順序，從源頭上避免形成應力集中區(qū)，有效降低防沖難度。近年來不斷加大科研投入和技術裝備的提升，堅持“一頭一評價，一面一評價”，對所有采掘工作面都按要求進行沖擊危險性評價及防沖設計，對動力災害進行監(jiān)測預警。通過實時預警及時采取防治措施，確保卸壓到位，最大程度上降低沖擊地壓危害，有效避免了沖擊地壓事故的發(fā)生，保障了井下作業(yè)人員的安全。