楊 永 王 浩 張傳寧
(山東能源集團鮑店煤礦,山東 鄒城 273513)
鮑店煤礦5312 工作面位于3#煤層,煤層平均厚度8.65 m,煤層屬半暗型煤,具條帶狀結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,厚度穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單,f=2.9。工作面煤層總體趨勢為一單斜構(gòu)造,西北高東南低,煤層走向150°~162°,傾向60°~72°,煤層平均傾角9°。工作面中部V-F208 斷層附近煤層傾角較大,預(yù)計最大15°。頂?shù)装遒x存條件如下:直接頂巖性為粉砂巖,厚度3.56 m,節(jié)理較發(fā)育,易破碎;老頂巖性為粉細砂巖,厚度8.47 m,堅硬致密,以細砂巖為主;直接底不發(fā)育;老底巖性為粉細砂巖互層,夾雜粉砂巖條帶,厚度18.43 m,巖石呈中厚層狀。鮑店煤礦已鑒定煤層具有強沖擊傾向性,采用多種方法對5312 工作面的沖擊危險性進行評價,劃定可能存在沖擊危險的區(qū)域。鮑店煤5312 綜放工作面自北向南正向推進,工作面共開3 個切眼、1 條膠運順槽和3 條輔運順槽,工作面順槽、切眼均沿煤層底板布置。
(1)膠運順槽多因素耦合沖擊危險性評價及危險區(qū)劃分
5312 工作面膠運順槽沿5311 采空區(qū)布置,由南向北沿3 煤底板掘進,掘進過程中會受到工作面采動應(yīng)力、側(cè)向應(yīng)力、斷層、硐室等因素疊加影響,膠運順槽5311 工作面停采線附近50 m 范圍存在弱沖擊危險,膠運順槽V-F208 斷層區(qū)域附近50 m 范圍存在弱沖擊危險,膠運順槽V-F209 斷層區(qū)域附加30 m 范圍內(nèi)存在弱沖擊危險。
(2)輔運順槽多因素耦合沖擊危險性評價及危險區(qū)劃分
5312 工作面輔運順槽①沿3 煤底板掘進,靠近切眼③位置臨近鋪子斷層,近切眼③位置前后30 m范圍存在弱沖擊危險。5312 工作面輔運順槽②和輔運順槽③沿3 煤底板掘進,北部端頭臨近鋪子斷層,輔運順槽②和輔運順槽③掘進時會受到斷層構(gòu)造應(yīng)力影響,靠近斷層的區(qū)域(輔運順槽折線部位)存在弱沖擊危險。
(3)開切眼多因素耦合沖擊危險性評價
切眼①、切眼②和切眼③靠近鋪子斷層的區(qū)域受斷層及牽引褶皺影響,切眼①掘進60 m 范圍內(nèi)受斷層和相鄰工作面回采擾動影響存在弱沖擊危險,切眼②和切眼③接近斷層30 m 范圍存在弱沖擊危險。
輔運順槽與膠運順槽斷面為5.4 m×3.7 m,采用相同的支護措施,如圖1 所示。錨桿托盤均采用335#鋼材預(yù)加工,面積0.15 m×0.15 m,厚度10 mm,其承載力不小于桿體屈服載荷。
圖1 膠運順槽斷面支護圖(mm)
順槽頂部采用桿體型號為MSGLW-500 規(guī)格為ML Ⅳ22/2400 Q/YZK 031 型錨桿、延伸率為18%的錨桿進行錨固。頂部和幫部錨桿螺母預(yù)緊力≥300 N·m,頂部和幫部錨桿錨固力≥150 kN。膠運順槽頂部錨桿支護網(wǎng)度0.9 m×0.9 m,共布置6根錨桿,采用2 卷樹脂錨固劑全長錨固方式。另外,頂部預(yù)埋SK 22/7-1860 Q/YZK 078 型長錨索3 條,直徑22 mm,錨索長7 m,網(wǎng)度為2.1 m×2.7 m。
兩幫采用MG500 20×2200 型錨桿進行錨固。幫部支護網(wǎng)度1.0 m×0.9 m,兩幫各布置4 根錨桿,安設(shè)1 卷樹脂錨固劑端部進行錨固。
開切眼采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護,頂板錨索型號為Φ21.8 mm×6.0 m 高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線,錨索托盤面積為0.3 m×0.3 m,厚度為20 mm,錨索預(yù)緊力≥100 kN,錨固力≥180 kN,頂錨索布置網(wǎng)度為2.7 m×2.2 m。
頂部錨桿選用Φ22 mm×2.4 m KMG500 左旋全螺紋鋼型,錨固力≥150 kN,錨桿螺母扭矩≥120 N·m,設(shè)計網(wǎng)度為0.8 m×0.9 m;幫部錨桿選用Φ20 mm×1.8 m 全螺紋鋼型,錨固力≥100 kN,錨桿螺母扭矩≥60 N·m,沿空側(cè)幫錨桿網(wǎng)度0.95 m×0.9 m,回采側(cè)幫網(wǎng)度1.2 m×0.9 m。
工作面順槽和切眼掘進期間,根據(jù)沖擊危險分析采取礦壓監(jiān)測為主、鉆屑法檢驗為輔的檢測手段。局部沖擊危險升高時,需采取防沖解危措施[1-5],主要包括以下幾種方式。
巷道施工過程中,若檢測出沖擊危險或巷道掘進過程中出現(xiàn)圍巖活動明顯加劇現(xiàn)象,巖煤壁施工一排大直徑卸壓鉆孔,卸壓鉆孔須與煤層方向平行,鉆孔直徑≥110 mm,孔間距4 m,孔口高度1.5 m左右,鉆孔深度超前卸壓保護帶20 m 以上。
工作面巷道掘進一般沿底板掘進,不留底煤,但在巷道過斷層區(qū)域時,會存在部分留底煤區(qū)域。為防止斷層預(yù)留底煤發(fā)生沖擊地壓,采取的防沖方式包括:①采用底板大直徑鉆孔斷底法進行卸壓;②如果大直徑施工不能有效解決底煤松動問題或者底煤厚度>1 m 時,可以采用爆破斷底卸壓方式進行防沖。
(1)底板大直徑鉆孔斷底卸壓法
與煤體大直徑鉆孔卸壓工藝相似,通過施工大直徑卸壓鉆孔,達到破壞周圍煤體、釋放煤層礦壓應(yīng)力、降低或消除沖擊地壓危險的目的。斷底鉆孔參數(shù):在巷道兩幫與底板的交界位置施工向下孔,角度45°,孔徑110 mm,間距1~1.5 m,深度達到底板巖石,如表1 所示。斷底鉆孔使用需注意:如發(fā)現(xiàn)斷底效果不理想,則適當(dāng)加密鉆孔,但是不能破壞順槽原有的支護措施。
表1 斷底孔技術(shù)參數(shù)
(2)爆破斷底卸壓技術(shù)
如果大直徑施工不能有效解決底煤松動問題或者底煤厚度>1 m 時,常常伴有巷道底鼓現(xiàn)象,此時可以采用爆破斷底卸壓防沖措施。施工小直徑鉆孔小藥量爆破,擴大底部煤層結(jié)構(gòu)松散性質(zhì),降低煤層沖擊危險。
爆破斷底參數(shù):在巷道底板布置單排小直徑炮孔,炮孔參數(shù)如表2 所示,間距3 m,孔深2.3~2.5 m,角度30°斜向下。每個炮孔安裝1~2 支煤礦許用炸藥爆破,通常形成壓碎圈為炮孔直徑的7 倍、裂隙圈為孔徑的120 倍,孔距3 m 可以實現(xiàn)底煤的徹底斷底。
表2 斷底爆破技術(shù)參數(shù)
根據(jù)礦區(qū)相鄰工作面防沖經(jīng)驗,正常生產(chǎn)條件下,工作面每天掘進進尺不得超過20 m。在弱沖擊危險區(qū)域掘進時,每天掘進進尺不得超過15 m,如果出現(xiàn)監(jiān)測異常時,應(yīng)根據(jù)情況采取措施,掘進速度應(yīng)放慢,可調(diào)整至每天10 m,直至監(jiān)測無異常。
5312 工作面巷道多個位置具有弱沖擊危險,應(yīng)以微震監(jiān)測和鉆屑法檢測為主要手段,實時掌握沖擊危險動態(tài)。在工作面巷道掘進期間,采用礦壓觀測法進行沖擊危險觀測,采用微地震監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測高位頂板巖層隨掘進活動的進行是否會發(fā)生失穩(wěn)運動,以評價煤層上方堅硬巖層發(fā)生礦震的可能性。如發(fā)現(xiàn)煤炮頻繁、壓力突增或出現(xiàn)沖擊氣流等異常動力現(xiàn)象必須及時進行鉆屑法檢測。
5312 工作面使用的微震監(jiān)測系統(tǒng)為SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測分析范圍:距巷道迎頭半徑200 m,單個震動能量超過1.0×104J,采用微震監(jiān)測指標(biāo)超過臨界值時,最終判定是否具有沖擊危險。
微震事件監(jiān)測結(jié)果:本工作面采用5 個微震器對工作面震動信號進行采集,通過SOS 微震監(jiān)測系統(tǒng)對沖擊危險性進行評估分析。工作面自2020 年12 月開始回采,2021 年5 月17 日工作面回采結(jié)束。工作面回采結(jié)束后依舊監(jiān)測到微震事件,事件頻次及能量均比生產(chǎn)期間低,進入6 月后,微震事件基本消除。工作面開采以來共監(jiān)測到震動事件2920次,平均日震動18.6 次,累計震動總能量5.72 ×106J,最大震動事件能量為4.56×104J,103J 以下事件2824 次,104J 以上事件96 次。
通過微震事件分布分析,工作面震動事件主要集中在1.0×103J 以下,以小震動事件為主,震動事件相對較分散,較大能量事件主要集中在工作面回采后期,工作面回采前期微震事件頻次及能量均比后期少。分析原因主要為工作面開采范圍進一步擴大,與鋪子斷層接觸的范圍增大,鋪子斷層因工作面采掘活動可能造成局部應(yīng)力集中??傮w評價如下:微震事件相對較多,但總體能量較小,工作面回采期間無異常壓力顯現(xiàn)。
(1)監(jiān)測位置
監(jiān)測范圍為巷道掘進迎頭、掘進迎頭后方60 m以內(nèi)的區(qū)域巷道幫。
(2)監(jiān)測孔布置
分別在距離迎頭10 m、20 m、30 m 處布置3個鉆孔,鉆孔直徑42 mm,沿煤壁方向單排布置,布置高度1.2 m左右,孔深14 m,鉆孔煤層傾向平行。
(3)監(jiān)測頻率
對于5312 工作面,切眼、順槽每40 m 實施一次鉆屑檢測。
(4)檢測判定依據(jù)
一般將鉆粉率指數(shù)1.5 定為該地點是否具有沖擊危險的閾值。鮑店煤礦5312 工作面采取相應(yīng)的防沖措施之后的鉆粉率指數(shù)如表3 所示。
表3 5312 工作面臨界煤粉量指標(biāo)
(5)鉆屑法的實際應(yīng)用情況
工作面嚴(yán)格按防沖措施要求采用鉆屑法進行沖擊地壓危險性監(jiān)測,弱沖擊危險區(qū)域每3 d 監(jiān)測一次,無沖擊危險區(qū)域監(jiān)測頻率為5 d 一次。煤粉鉆孔施工記錄表明鉆孔過程中無卡鉆、吸鉆等問題,煤粉無超標(biāo)現(xiàn)象,最大煤粉量2.38 kg/m。數(shù)據(jù)表明采取相應(yīng)的防沖措施之后,該礦實際生產(chǎn)條件的鉆粉率指數(shù)未超過閾值,防沖措施有效地控制了煤層應(yīng)力集中現(xiàn)象,有效避免了地壓沖擊危險。
鮑店煤礦5312 工作面掘進期間采取微震監(jiān)測和鉆屑法檢測為主要手段,實時掌握沖擊危險動態(tài),如發(fā)現(xiàn)煤炮頻繁、壓力突增或出現(xiàn)沖擊氣流等異常動力現(xiàn)象必須及時進行鉆屑法檢測。巷道掘進過程中,采取煤體大直徑鉆孔卸壓技術(shù)、斷層底煤斷底卸壓防沖技術(shù),工作面于2021 年5 月實現(xiàn)安全順利回采。防沖措施的實際數(shù)據(jù)及監(jiān)測效果表明:各項防沖措施落實到位之后,實現(xiàn)了工作面基本頂周期性破斷,未形成較大的懸頂;通過對危險區(qū)的預(yù)卸壓,有效降低了煤體應(yīng)力集中程度,降低了工作面范圍內(nèi)礦震的發(fā)生頻次和能量,有效避免了地壓沖擊危險。