雒 軍 莉

（兗礦新疆礦業(yè)有限公司硫磺溝煤礦，新疆 昌吉831100）

1 概 況

硫磺溝煤礦可采煤層均具有沖擊危險性，在掘進工作面生產(chǎn)期間礦井可采取的手段僅由鉆屑法及動力現(xiàn)象顯現(xiàn)觀測，都是人為進行監(jiān)測、觀測，存在較大的誤差性，在未監(jiān)測到?jīng)_擊危險時也多次發(fā)生了動力事故。在實際生產(chǎn)過程中，由于工作面快速掘進，煤巖體內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的不均勻性和煤體應(yīng)力分布的不均衡性，會使工作面前方煤體內(nèi)集聚的應(yīng)力來不及充分釋放，新揭露的煤體處于劇烈的應(yīng)力變化狀態(tài)中，致使煤體容易發(fā)生沖擊失穩(wěn)的動力災(zāi)害，而礦監(jiān)控手段較為單一，缺少具有可靠的、可操作性的監(jiān)控預(yù)警體系。因此，在開采沖擊地壓煤層時需進一步掌握發(fā)生機理以及監(jiān)測手段。

2 詳細的技術(shù)推先內(nèi)容

2.1 圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的沖擊地壓機理

通過分析采深、地層結(jié)構(gòu)、煤層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、開采方法和邊界條件對沖擊地壓的影響，揭示了煤礦深部開采存在2 類8 種誘發(fā)沖擊地壓的外部力源；通過分析深部巷道變形破壞形態(tài)，提出了煤礦深部開采過程中存在10 種易發(fā)生沖擊地壓的巷道圍巖結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)煤礦深部開采具備發(fā)生沖擊的外部力源條件和存在沖擊傾向性圍巖結(jié)構(gòu)時，外部力源將驅(qū)動圍巖結(jié)構(gòu)易沖擊的部位向采掘空間或巷道內(nèi)沖擊?；谕獠苛υ打?qū)動圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生沖擊地壓的過程，提出了基于外部力源與圍巖結(jié)構(gòu)相互作用及圍巖整體與局部穩(wěn)定性綜合判別的沖擊地壓工程分類方法，其流程如圖2 所示。采用該分類方法，識別主導(dǎo)力源類型及沖擊災(zāi)害形式，為有針對性進行沖擊地壓預(yù)測、預(yù)警與分類治理提供了理論基礎(chǔ)。

圖1 力源與圍巖典型結(jié)構(gòu)

圖2 沖擊地壓工程分類流程

2.2 開采覆巖載荷三帶沖擊應(yīng)力的計算方法

采動應(yīng)力是誘發(fā)沖擊的主體力源。與傳統(tǒng)的反映覆巖運動變形破壞形式的“上三帶”模型不同，建立了以表達采動應(yīng)力動態(tài)傳遞的深部煤層覆巖“載荷三帶”模型，將上覆巖層組

劃分為“即時加載帶”、“延時加載帶”和“靜載帶”（見圖3）。其中，即時加載帶是隨采隨動并形成承載結(jié)構(gòu)的巖層組，包括直接頂、基本頂及其上方的部分巖層。隨著采場推進其運動產(chǎn)生的應(yīng)力快速顯現(xiàn)于近工作面煤體，從而誘發(fā)沖擊；延時加載帶是指位于即時加載帶上方、隨采場推進需要較長一段時間才逐步發(fā)生離層和斷裂的巖層組，其運動產(chǎn)生的應(yīng)力緩慢顯現(xiàn)于“拱腳”附近且易誘發(fā)沖擊；靜載帶是指位于延時加載帶上方直至地表、受采動影響較小且?guī)缀跻造o載方式作用于采場圍巖的巖層組。該結(jié)構(gòu)模型揭示了外部力源驅(qū)動圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生沖擊的動應(yīng)力作用機制。

圖3 深部開采覆巖“載荷三帶”模型

2.3 精準(zhǔn)化預(yù)測方法、預(yù)警技術(shù)與裝備

2.3.1 監(jiān)測預(yù)警方式

根據(jù)硫磺溝煤礦沖擊地壓發(fā)生的機理研究，針對掘進工作面，掘進工作面在迎頭（易發(fā)生沖擊性冒頂）及后方（漸進性蠕變型沖擊）均存在沖擊危險，掘進迎頭主要以大直徑鉆孔卸壓為主，掘進后方采取卸壓措施后仍需對圍巖應(yīng)力和震動情況進行監(jiān)測，進而對掘進巷道沖擊危險性進行綜合評價。因此，提出了對巷道開挖后周圍圍巖應(yīng)力變化情況、支護錨桿（索）載荷變化情況以及圍巖震動情況等進行綜合預(yù)警。

KJ615 型煤礦沖擊地壓無線監(jiān)測系統(tǒng)是在掘進工作面沖擊地壓發(fā)生機理的基礎(chǔ)上提出的。該系統(tǒng)基于以太網(wǎng)、無線傳輸、光纖傳輸技術(shù)，建立掘進工作面多參量實時監(jiān)測、智能預(yù)警和分析平臺，對工作面地音信號、煤巖體應(yīng)力、錨桿錨索應(yīng)力等多參量進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)掘進工作面沖擊危險性的綜合預(yù)警。

依據(jù)圍巖應(yīng)力與支護結(jié)構(gòu)受力的耦合信息，可劃分三個重點監(jiān)測區(qū)域：

1）迎頭區(qū)：塑性變形區(qū)，掘進頭前方15m 到后方10m，約25m 范圍。

2）后動壓區(qū)：塑性變形區(qū)，掘進頭后方10m 到后方60m，約50m 范圍。

3）監(jiān)測參量：圍巖破裂場（震動）、應(yīng)力場、支護力；

4）監(jiān)測目標(biāo)：掘進擾動后圍巖塑性變形對圍巖結(jié)構(gòu)的破壞程度（破裂場），側(cè)向支承壓力變化趨勢及危險程度（應(yīng)力場），支護的有效性及其穩(wěn)定性（支護力）。

5）高應(yīng)力蠕變區(qū)：塑性平衡區(qū)，掘進頭后方60m到后方260m，約200m 范圍。

6）監(jiān)測參量：圍巖破裂場（震動）、應(yīng)力場、支護力

7）監(jiān)測目標(biāo)：圍巖結(jié)構(gòu)與支護結(jié)構(gòu)耦合作用后，在應(yīng)力環(huán)境下是否發(fā)生高應(yīng)力蠕變，蠕變后的側(cè)向支承壓力變化趨勢及危險程度（應(yīng)力場），支護力的有效性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)（支護力）。

圖4 掘進巷道監(jiān)測區(qū)域剖面圖

2.3.2 監(jiān)測預(yù)警布置

煤礦沖擊地壓無線監(jiān)測系統(tǒng)從硬件上分為地音模塊、無線應(yīng)力模塊、支護應(yīng)力模塊三個子系統(tǒng)。

1）應(yīng)力監(jiān)測布置方案。應(yīng)力測點間距為25±5m/組，布置在巷道上幫，監(jiān)測范圍為迎頭向后200m 范圍內(nèi)，沿煤層傾角施工，鉆孔終孔位置位于煤層中。隨著掘進工作面向前推進，應(yīng)力測點進行移組，推進25±5m 后，重新施工一組，實現(xiàn)循環(huán)監(jiān)測（根據(jù)工作面掘進現(xiàn)場監(jiān)測實際情況，測點間距可進行適當(dāng)調(diào)整，測點間距控制在15～25m±5m。應(yīng)力計安裝深度深孔為14m，淺孔為8m。

圖5 巷道應(yīng)力計布置剖面圖

2）地音監(jiān)測布置方案。共布置6 個地音測點，測點間距50m，最前方測點距迎頭不應(yīng)超過50m。監(jiān)測范圍為迎頭向后300m 范圍，測點布置在巷道頂板位置。3）錨桿（索）監(jiān)測布置方案

共布置6 個測點，測站間距50m，最前方測點距迎頭不應(yīng)超過50m。監(jiān)測范圍為迎頭向后300m 范圍，測站布置在巷道頂板位置，每個測站布置錨桿、錨索測點各1 個，使用支護錨桿（索）或重新施工。

3 實際應(yīng)用效果及推廣情況

以往開采期間因沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)導(dǎo)致全礦采掘工程停工停產(chǎn)，通過應(yīng)用特厚煤層開采沖擊地壓防治技術(shù)，合理設(shè)計采掘布局和生產(chǎn)接續(xù)，編制防沖規(guī)劃、防沖設(shè)計等，有針對性開展監(jiān)測預(yù)警與卸壓解危，應(yīng)用掘進工作面沖擊地壓綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等沖擊地壓防治裝備，對沖擊地壓災(zāi)害進行了有效治理，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

4 經(jīng)濟效益

安全采出受沖擊地壓威脅的煤炭132 萬t，按照噸煤平均售價135 元/t，噸煤平均成本113 元/t 計算。132 萬t×135 元/t=17 820 萬元，新增利潤：132萬t×（135-113）元/t×83%=2 410 萬元；新增稅收：132 萬t×(135-113)元/t×17%=494 萬元。

5 總 結(jié)

通過現(xiàn)場實施構(gòu)建了煤礦開采沖擊地壓防治“七模塊”技術(shù)體系，通過實施涵蓋“分類、評價、解危、監(jiān)測、檢驗、支護、管理”的“七模塊”防沖技術(shù)體系，提高了煤礦沖擊地壓防治的針對性，實現(xiàn)了沖擊地壓的分類分治，有效解決了巨厚硬巖地層、巨厚表土地層、條帶開采、孤島開采和巨厚復(fù)合煤層開采等復(fù)雜開采條件下的防沖難題。