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        綜放工作面沖擊地壓預(yù)警防治技術(shù)研究與應(yīng)用

        2022-03-19 03:12:36周剛
        煤炭與化工 2022年1期
        關(guān)鍵詞:微震沖擊直徑

        周剛

        (陜西火石咀煤礦有限責(zé)任公司,陜西 咸陽 713599)

        隨著我國煤礦開采強度的增大和開采年限的增加,許多礦井轉(zhuǎn)入深部開采,沖擊地壓逐漸成為影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素[1-4]。從1985 年—2019年,我國沖擊地壓礦井由32 個增加至185 個,發(fā)生頻率和強度均有明顯增長。因此,對于受沖擊地壓威脅的礦井,建立一套有效的防沖預(yù)警和控制系統(tǒng),對實現(xiàn)煤礦的安全生產(chǎn)具有重要意義[5-7]。

        1 概 況

        陜西火石咀煤礦8704 工作面位于七采區(qū),工作面北側(cè)為8706 采空區(qū),南側(cè)為8702 待掘工作面,東側(cè)為礦井3 條集中大巷,西側(cè)為薄煤層邊界。工作面所采煤層為延安組4-2層,煤層厚度3.0~11.6 m,平均厚度6.5 m。煤層普氏系數(shù)為1.5 ~3.5,中間硬度較大,頂?shù)装甯浇捕容^小,煤層傾角為0~5.4°,為近水平煤層。工作面附近210地質(zhì)鉆孔的柱狀圖如圖1 所示。

        圖1 210 地質(zhì)鉆孔柱狀圖Fig.1 Columnar of No.210 Borehole

        8704 工作面開切眼長度為200 m,設(shè)計推進距離1 644 m,工作面標(biāo)高421.6—487.7 m,地面標(biāo)高977.4—1 082 m。工作面采用走向長壁支撐掩護式低位放頂煤支架支護,綜采放頂煤采煤,SSJ1200/4×315 kW 可伸縮皮帶運煤。機采高度3 m,放頂煤高度0 ~ 3.5 m,采煤機截深800 mm,放頂煤步距800 mm,一刀一放,多循環(huán)作業(yè)。

        2 沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警設(shè)計

        2.1 沖擊地壓影響因素

        根據(jù)8704 工作面的地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件,結(jié)合沖擊啟動理論分析,工作面回采期間沖擊發(fā)生的主要影響因素有2 點。

        (1) 煤層埋藏深度。8704 工作面4-2煤的平均埋深為592 m,最大埋深640 m,區(qū)域靜載壓力大,如果超過了煤體的極限強度,則有可能誘發(fā)沖擊地壓。

        (2) 煤巖物理力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)沖擊傾向性鑒定結(jié)果,該礦7 采區(qū)4-2煤具有一定的沖擊傾向性,頂?shù)装寰腥鯖_擊傾向性。該類煤巖體受高壓影響,在極小擾動下都有發(fā)生沖擊地壓的可能。

        2.2 沖擊等級評價

        通過綜合指數(shù)法確定8704 工作面的沖擊危險性評估指數(shù)為0.29。該工作面在回采過程中有弱沖擊危險性,危險區(qū)域劃分為I 類,回采期間整個工作面為弱沖擊危險區(qū)域。

        3 沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警方案

        3.1 分級預(yù)警防治方案

        沖擊地壓的監(jiān)測與預(yù)警是防沖工作的前提與基礎(chǔ),對于盡早發(fā)現(xiàn)潛在的沖擊區(qū)域、及時采取有效措施具有重要的意義。對于掘進巷道和工作面回采主要的監(jiān)測手段有2 種:地應(yīng)力測量、鉆屑法等巖石力學(xué)方法;微震、應(yīng)力監(jiān)測等地球物理方法[8-9]。不同的監(jiān)測方法分別監(jiān)測沖擊地壓的不同影響因素,形成了圖2 的分級監(jiān)測預(yù)警方案。

        圖2 沖擊地壓分級監(jiān)測預(yù)警方案Fig.2 Grading monitoring and early warning scheme of rockburst

        3.2 動載監(jiān)測方案

        《防治煤礦沖擊地壓細則》明確規(guī)定,采用微震技術(shù)監(jiān)測沖擊地壓時,監(jiān)測系統(tǒng)的布置應(yīng)當(dāng)覆蓋整個采掘區(qū)域。采用KJ551 微震系統(tǒng)對全礦沖擊地壓工作面進行無間斷實時在線監(jiān)測。在8704 工作面兩順槽布置微震監(jiān)測系統(tǒng)。運料巷中超前工作面前方100 m 布置1 組檢波器,一共布置3 組,間距為150 m,運輸巷超前工作面前方150 m 布置1 組檢波器,一共布置3 組,間距為150 m。兩巷檢波器交替布置。當(dāng)工作面推至檢波器后方80 m 時,外移檢波器,保證工作面前方150 m 處于監(jiān)測范圍中。

        3.3 靜載監(jiān)測方案

        根據(jù)沖擊地壓防治細則的規(guī)定,可采用鉆屑法對局部沖擊地壓區(qū)域進行監(jiān)測。在煤層中施工鉆孔,利用鉆屑法進行局部監(jiān)測。鉆孔直徑為42 mm,孔深為10 m。根據(jù)8704 工作面沖擊傾向性評價結(jié)果,鉆孔間距為30 m,鉆孔距底板的高度為1.0 m,單排布置,垂直于巷幫。工作面前方100 m 范圍之內(nèi),3 d 進行一次,每次鉆孔數(shù)量不少于3 個。鉆屑法鉆孔布置如圖3 所示。

        圖3 鉆屑法鉆孔布置Fig.3 Drilling arrangement of cuttings method

        3.4 應(yīng)力監(jiān)測

        沖擊地壓的發(fā)生是煤層靜載和工作面動載共同作用的結(jié)果。因此在開采具有沖擊地壓傾向的煤層時,還需對工作面的超前支承壓力等進行觀測。應(yīng)力監(jiān)測主要是對巷道及工作面前方的應(yīng)力分布及大小、峰值和支承壓力變化情況等進行記錄。

        在兩巷內(nèi)超前工作面20 m 開始,間距25 m 開始布置應(yīng)力觀測站,每個測站布置2 個測點,鉆孔的深度分別為8 m 和14 m,孔間距為1.0 m。測點布置在工作面前方300 m 范圍內(nèi),當(dāng)進入工作面前方10~15 m 時,依次前移傳感器,確保超前支承壓力始終在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。具體布置方案如圖4 所示。

        圖4 工作面應(yīng)力傳感器布置示意Fig.4 Layout of stress sensor in working face

        4 沖擊地壓防治措施

        4.1 大直徑鉆孔卸壓

        大直徑鉆孔卸壓技術(shù)一般用于掘進頭和工作面煤幫中,是一種預(yù)防性防沖技術(shù)[10-12]。通過施工大直徑的卸壓鉆孔,釋放淺部應(yīng)力,并促使圍巖集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。

        一般工作面前方超前支承壓力影響區(qū)是沖擊地壓發(fā)生較多的區(qū)域,是防控的重點。因此,在該范圍內(nèi)施工大直徑鉆孔效果較好。在工作面兩巷向垂直回采幫施工鉆孔,直徑為100~150 mm,鉆孔深度為20 m,間距為3 m,鉆孔位于底板以上1.0 m的位置。

        4.2 煤層注水

        煤層的單軸抗壓強度隨含水量的增加而降低,通過高壓及靜壓注水,提高煤層中的含水量,可以起到軟化煤體的作用[13-14]。在工作面前方150 m 范圍內(nèi)進行注水,注水孔的深度為150 ~200 m,封孔長度為25 m,注水孔的間距為20 m,注水孔垂直巷道布置,位于巷道中部。注水孔的直徑為75 mm,注水壓力平均為8 MPa,當(dāng)壓力低于5 MPa時,停止注水。注水孔布置如圖5 所示。

        圖5 注水孔布置Fig.5 Layout of water injection hole

        4.3 煤體爆破卸壓

        在工作面回采期間,如果通過微震監(jiān)測系統(tǒng)、在線應(yīng)力系統(tǒng)以及鉆屑法等監(jiān)測到?jīng)_擊地壓危險區(qū)域,而以上防突措施效果不理想時,可以進一步采用爆破卸壓的方式。在鉆屑法測量的過程中發(fā)生吸鉆、頂鉆等現(xiàn)象時,在該孔以及前后各5 m 范圍內(nèi)進行爆破,直到無動力現(xiàn)象為止。正常情況下,在危險區(qū)域前后各15 m 范圍內(nèi)爆破,爆破鉆孔深度大于10 m,直徑為42 mm,單孔裝藥量不大于5 kg,封孔長度不小于三分之一。爆破順序應(yīng)當(dāng)從工作面向停采線依次進行,使得高應(yīng)力遠離工作面,保證回采安全。

        5 結(jié) 論

        (1) 根據(jù)沖擊傾向性鑒定結(jié)果,4-2 煤層頂?shù)装寰腥鯖_擊傾向性。8704 工作面的沖擊危險性評估指數(shù)為0.29,為I 類危險區(qū)域。

        (2) 大直徑鉆孔可以促進裂隙的發(fā)育,釋放淺部應(yīng)力,并促使圍巖集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移,從而達到卸壓的目的,是一種預(yù)防性防沖技術(shù)。

        (3) 通過采用微震監(jiān)測、在線應(yīng)力監(jiān)測以及鉆孔卸壓、煤層注水等,形成了沖擊地壓分級監(jiān)測、解??刂企w系,取得了較好的防沖效果。

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