肖自義，陳建文，左常清，李 勇

(1.山東煤礦安全監(jiān)察局魯西監(jiān)察分局，山東省濟(jì)寧市，273500；2.汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司，山東省濟(jì)寧市，272500；3.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)，山東省濟(jì)寧市，273500)

1 義橋煤礦4310工作面概況

義橋煤礦4310工作面為四采區(qū)不規(guī)則工作面。4310工作面北面為原4308工作面軌道巷，4310工作面軌道巷距離4308采空區(qū)最近處為30 m，東側(cè)為四采區(qū)軌道巷，西側(cè)為FY19斷層和規(guī)劃中的4312工作面。工作面布置較不規(guī)則，工作面面長54～96 m，先增大后縮小。4310工作面布置如圖1所示。

圖1 4310工作面布置

4310工作面主采早二疊系山西組3號煤層，煤層厚度為3.30～3.70 m，平均厚度為3.50 m，煤層傾角12°～19°，平均傾角15°，普氏硬度系數(shù)為1.48，屬結(jié)構(gòu)簡單煤層。工作面頂板以砂巖為主，其中直接頂為平均厚度3.5 m的細(xì)砂巖，基本頂為厚度6 m左右的細(xì)砂巖與粉砂巖。經(jīng)鑒定，3號煤層具有弱沖擊傾向性，3號煤層頂板具有強(qiáng)沖擊傾向性。4310工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度中等，為一單斜構(gòu)造，由于受斷層FY19影響，煤層傾角局部變大。

2 工作面沖擊風(fēng)險辨識

4310工作面周邊地質(zhì)構(gòu)造及開采技術(shù)條件較復(fù)雜，受自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力疊加作用影響，工作面采掘期間面臨較大的沖擊地壓危險隱患。根據(jù)工作面實(shí)際情況，對其采掘期間的主要沖擊地壓風(fēng)險進(jìn)行了辨識[1-2]，主要風(fēng)險源如下：

(1)工作面長度較短，最短處為54 m，回采期間采空區(qū)易形成大面積懸頂；

(2)工作面開采范圍內(nèi)存在多條巷道，巷道附近存在應(yīng)力集中；

(3)工作面軌道巷沿FY19大斷層布置，采掘擾動易誘發(fā)斷層活化運(yùn)動；

(4)工作面布置極不規(guī)則，先擴(kuò)面后縮面，特別是縮面區(qū)域易形成應(yīng)力集中；

(5)工作面縮面期間，軌道巷一直位于工作面斜前方，受工作面超前支承壓力影響顯著。

3 工作面開采布置優(yōu)化

4310工作面最初設(shè)計中西部軌道巷平行于FY19斷層布置，導(dǎo)致工作面回采后期，朝向4308工作面采空區(qū)與FY19斷層，工作面軌道巷處于地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力與回采超前應(yīng)力的疊加區(qū)，沖擊地壓風(fēng)險較高。基于此，對巷道設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，調(diào)整了巷道布置，取消了應(yīng)力疊加區(qū)域的巷道布置，避開了工作面向采空區(qū)推采，降低了沖擊風(fēng)險范圍，沖擊危險區(qū)域巷道長度降低了35%，同時，基于綜合指數(shù)法分析對比，通過完善巷道布置，將綜合指數(shù)法中開采技術(shù)因素中沖擊危險指數(shù)由0.72降低為0.52。優(yōu)化開拓布局前后工作面沖擊危險范圍如圖2所示。

4 工作面多方式聯(lián)合卸壓

4.1 工作面回采之前預(yù)卸壓

4.1.1大直徑鉆孔卸壓

4310工作面掘進(jìn)期間，在工作面兩巷道兩幫弱沖擊危險區(qū)域按照間距3.0 m施工大直徑卸壓鉆孔，中等沖擊危險區(qū)域按照間距2.0 m施工大直徑卸壓鉆孔，鉆孔直徑150 mm，孔深15 m，鉆孔距巷道底板1.0～1.5 m。

圖2 優(yōu)化開拓布局前后工作面沖擊危險范圍示意

4310工作面回采期間，對于掘進(jìn)期間已施工完大直徑卸壓鉆孔的區(qū)域，視應(yīng)力在線(煤體壓力檢測儀測得)及鉆屑法監(jiān)測情況，在高應(yīng)力集中區(qū)附近施工大直徑卸壓鉆孔。

4.1.2頂板預(yù)裂爆破卸壓

4310工作面直接頂與基本頂為砂巖，最大厚度達(dá)到8 m，同時頂板上方有較厚的堅硬砂巖，易形成工作面頂板懸頂。為防止采空區(qū)懸頂面積過大突然垮落造成強(qiáng)沖擊影響，在工作面回采前對兩巷道及開切眼進(jìn)行頂板預(yù)裂。

設(shè)計頂板預(yù)裂鉆孔深度為20 m，傾角為60°，軌道巷施工鉆孔朝工作面外傾斜，運(yùn)輸巷施工鉆孔朝工作面內(nèi)傾斜。爆破鉆孔孔底裝藥長度為7 m，其中4 m位于頂板粉砂巖巖層內(nèi)，3 m位于頂板細(xì)粒砂巖巖層內(nèi)。斷頂爆破鉆孔沿4310工作面開切眼、軌道巷、運(yùn)輸巷全長布置，鉆孔間距為10 m。

通過鉆屑法與微震監(jiān)測對爆破斷頂卸壓效果進(jìn)行驗(yàn)證，回采前頂板預(yù)裂前后一周鉆屑量對比如圖3所示，圖中0～5、6～11、12 m是將鉆屑孔分3個區(qū)段。

由圖3可以看出，實(shí)施爆破斷頂后，煤粉量相較斷頂前有較明顯的減小，證明爆破斷頂后，巷道圍巖所承擔(dān)的上部巖層荷載降低，有效降低了巷道應(yīng)力集中現(xiàn)象。

頂板預(yù)裂卸壓前后一個月微震震動次數(shù)統(tǒng)計如圖4所示。由圖4可以看出，總震動次數(shù)由未進(jìn)行爆破斷頂時的85次降低為爆破斷頂后18次，降低了78.8%。最大能量也由開始的3 820 J 降低為后期的638 J，降低了83.3%。

圖3 回采前頂板預(yù)裂前后一周鉆屑量對比

爆破斷頂?shù)膶?shí)施有效降低了煤層中應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免了煤層應(yīng)力集中造成的沖擊地壓顯現(xiàn)，達(dá)到了防止沖擊地壓的目標(biāo)。

4.2 工作面回采過程中采區(qū)的防沖措施

4310工作面回采期間，為防止回采過程中潛在沖擊危險，在煤層預(yù)卸壓方面采取了以下兩種方法[3]：一是煤層深孔預(yù)卸壓，對軌道巷拐點(diǎn)外至軌道巷聯(lián)絡(luò)巷高應(yīng)力區(qū)段集中施工大直徑超深卸壓鉆孔加強(qiáng)預(yù)卸壓；二是煤層爆破預(yù)卸壓，對工作面兩巷道煤體進(jìn)行松動爆破預(yù)卸壓。

4.2.1煤層深孔預(yù)卸壓

從4310工作面軌道巷拐點(diǎn)外至軌道巷聯(lián)絡(luò)巷區(qū)域，工作面一側(cè)實(shí)施超深孔卸壓處理，鉆孔直徑為150 mm，間距3.0 m，孔深50 m，鉆孔采用單排布置，布置在兩排錨桿之間，距巷道底板距離1.0～1.5 m，如圖5所示。

圖4 頂板預(yù)裂卸壓前后一個月微震震動次數(shù)統(tǒng)計

圖5 大直徑超深鉆孔卸壓布置

4.2.2工作面應(yīng)力集中區(qū)煤層松動爆破卸壓

松動煤層爆破鉆孔沿4310軌道巷和運(yùn)輸巷生產(chǎn)幫布置，從工作面煤壁前方40 m布置第一個爆破卸壓鉆孔之后每隔8 m布置1個鉆孔，直至工作面設(shè)計停采線前方不小于45 m范圍。采用麻花鉆桿配合直徑43 mm鉆孔沿煤層傾角施工，鉆孔深度為12 m，如圖6所示。

圖6 煤層松動爆破孔布置

卸壓爆破后，通過鉆屑法、微震監(jiān)測、CT反演等手段對卸壓效果進(jìn)行檢驗(yàn)，爆破卸壓前后煤粉量監(jiān)測如圖7所示，圖中0～5、6～11、12 m是將鉆屑孔分3個區(qū)段。

圖7 爆破卸壓前后鉆屑量監(jiān)測

由圖7可以明顯看出，爆破卸壓后鉆屑量有較大程度的降低。此外，對爆破前后4310工作面進(jìn)行一個月的微震監(jiān)測。結(jié)果顯示：通過爆破卸壓，4310工作面微震總震動次數(shù)由未爆破時的308次降低為爆破后的173次，微震次數(shù)降低了43.8%。同時最大能量釋放由未爆破時的3 710 J降低到1 720 J，降低了53.6%。表明爆破卸壓后，4310工作面煤層應(yīng)力集中得到有效緩解，應(yīng)力集中降低。

4.2.3扇形斷頂爆破卸壓

4310工作面推進(jìn)至軌道巷臨近停采線位置時，為降低停采三角應(yīng)力集中區(qū)的沖擊風(fēng)險，沿工作面方向?qū)嵤┝藘山M扇形斷頂爆破卸壓。

在4310工作面軌道巷停采線位置設(shè)計兩組扇形爆破孔，爆破孔孔深分別為26、33、43 m，鉆孔傾角分別為55°、40°、30°。如圖8所示。

圖8 軌道巷斷頂鉆孔布置

通過鉆屑法與微震監(jiān)測兩種手段對扇形鉆孔爆破斷頂效果進(jìn)行監(jiān)測。斷頂前后鉆屑量進(jìn)行監(jiān)測，爆破卸壓后煤粉量有較大程度的降低如圖9所示，圖中0～5、6～11、12 m是將鉆屑孔分3個區(qū)段。

此外，對斷頂前后4310工作面進(jìn)行一個月的微震監(jiān)測，結(jié)果表明：通過爆破卸壓，4310工作面微震總震動次數(shù)由未爆破時的466次降低為爆破后的45次，微震次數(shù)降低了90.3%。同時最大能量釋放由未爆破時的3 020 J降低到1 540 J，降低了49.0%。表明斷頂卸壓后，4310工作面煤層應(yīng)力集中得到有效緩解，應(yīng)力集中降低。

圖9 斷頂爆破前后鉆屑量監(jiān)測

5 結(jié)語

井工煤礦生產(chǎn)進(jìn)入中后期都面臨邊角煤柱的回收問題，而大多數(shù)邊角煤柱是不規(guī)則的，回采不規(guī)則的邊角煤柱又要面對頂板壓力大的難題，特別是沖擊地壓治理問題。本文就是回采不規(guī)則邊角煤柱的一個特例，在工作面設(shè)計、回采前、采中、末采分別采取了針對沖擊地壓治理的措施，實(shí)現(xiàn)了安全回采。