梁寶寺礦3400采區(qū)沖擊地壓防治措施

郝長(zhǎng)勝，高國強(qiáng)，鄭彥濤，楊永杰，李福玲，常江波

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

梁寶寺井田位于山東省西南部，東南距嘉祥縣城約20 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 116°10'～ 116°17'，北緯35°32'～ 35°38'。井田東西寬約 9 km，南北長(zhǎng)約 11 km，面積約 97 km2。

3400采區(qū)采深大，平均采深均在800 m以上，且煤層厚度大，平均煤厚5.0 m，雖然從未發(fā)生過沖擊地壓現(xiàn)象，防治沖擊地壓工作仍不容忽視。采區(qū)采動(dòng)后，各種巷道和采煤工作面的周圍巖體內(nèi)將發(fā)生應(yīng)力重新分布［1，2］，若形成應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中區(qū)域易積聚彈性變形能［3］，當(dāng)達(dá)到臨界破壞條件時(shí)，受其他采掘活動(dòng)影響，就可能發(fā)生沖擊地壓［4］。在一定的煤層賦存條件、地質(zhì)條件、開采條件以及大面積采空區(qū)懸頂?shù)葪l件下，有發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)性。所以，必須制定防沖措施，落實(shí)責(zé)任，防止沖擊地壓現(xiàn)象的發(fā)生。

1 危險(xiǎn)區(qū)域的劃分

梁寶寺礦井3400采區(qū)初期采用條帶開采，后期村莊搬遷后采用長(zhǎng)壁工作面開采，開采期間要面臨以下幾種情況:

1)兩側(cè)都是實(shí)體煤的開采。其工作面邊界示意圖見圖1。

圖1 工作面兩側(cè)實(shí)體煤示意圖

2)一側(cè)采空工作面的開采。

工作面一側(cè)采空的情況下，當(dāng)該工作面的老頂初次斷裂完成后，其上位巖層將與上區(qū)段同位巖層一起運(yùn)動(dòng)，即老頂?shù)纳衔粠r層將連在一起運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)“S”型空間結(jié)構(gòu)。該空間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致采空區(qū)一側(cè)巷道超前支護(hù)困難，在一定的條件下很容易誘發(fā)沖擊地壓。

該工作面的防沖工作要點(diǎn)如下:

a)中度危險(xiǎn)區(qū)域2個(gè)，即老頂初次來壓及應(yīng)力集中區(qū)。

b)高度危險(xiǎn)區(qū)域2個(gè)，即單工作面見方、雙工作面見方。

3)不對(duì)稱孤島工作面的防沖技術(shù)。

不對(duì)稱孤島工作面是指一側(cè)采了一個(gè)工作面，另一側(cè)采了多個(gè)工作面的邊界條件。

不對(duì)稱孤島工作面隨著工作面的推進(jìn)，最終3個(gè)工作面采空區(qū)連為一體，導(dǎo)致本工作面成為兩面采空的孤島工作面，三工作面覆巖劇烈運(yùn)動(dòng)，最終形成“C”型覆巖空間結(jié)構(gòu)，此時(shí)厚硬巖層的運(yùn)動(dòng)易造成工作面來壓大，誘發(fā)工作面前方巷道和上、下端頭附近區(qū)域發(fā)生沖擊地壓。

不對(duì)稱孤島面工作面兩側(cè)的覆巖結(jié)構(gòu)不同，在采空區(qū)一側(cè)，上覆巖層完全垮落，斷裂巖層已經(jīng)觸矸，地表已經(jīng)完全沉降，因此，在這一側(cè)煤柱上方的支承壓力較小;而另一側(cè)的高位堅(jiān)硬巖層并未斷裂，仍橫跨于兩側(cè)的實(shí)體煤上方，則其煤柱上方的支承壓力較大，且隨著工作面開采，覆巖結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，容易引起工作面的動(dòng)力災(zāi)害。因此，在上順槽一側(cè)沖擊危險(xiǎn)性更大。

4)對(duì)稱完全孤島工作面的防沖技術(shù)。

對(duì)稱完全孤島工作面是指待采工作面兩側(cè)已經(jīng)有多個(gè)工作面開采完畢，且采空區(qū)上方巖層已經(jīng)完全斷裂，地表達(dá)到了充分沉陷的程度。

5)對(duì)稱不完全孤島工作面的防沖技術(shù)。

對(duì)稱不完全孤島工作面是指待采工作面兩側(cè)只有1或2個(gè)工作面開采完畢，且采空區(qū)上方巖層沒有完全斷裂，地表沒有出現(xiàn)明顯變形。

這類工作面最大的沖擊災(zāi)害將發(fā)生在3個(gè)工作面采空區(qū)上方高位堅(jiān)硬巖層斷裂階段。

2 防沖措施

2.1 區(qū)域防沖管理

上述五種情況下的工作面動(dòng)力災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù)如下:

第一步:對(duì)可能發(fā)生的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域和危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

第二步:對(duì)危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行提前卸壓處理。

第三步:開采過程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。

第四步:采用檢驗(yàn)手段檢驗(yàn)卸壓效果。

具體的措施如下:

第一步:對(duì)可能發(fā)生的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域和危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過采用巖層運(yùn)動(dòng)和礦山壓力理論、壓力計(jì)算、構(gòu)造分析等方法，在工作面回采之前，對(duì)工作面危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果為:

老頂初次來壓前夕:當(dāng)工作面推進(jìn)到老頂初次來壓時(shí)，可能發(fā)生小能量沖擊地壓，此時(shí)一般為中度沖擊。

工作面采空區(qū)見方階段:工作面推進(jìn)到工作面采空區(qū)見方或多個(gè)連續(xù)工作面采空區(qū)見方時(shí)，極有可能發(fā)生災(zāi)害性大能量沖擊地壓，礦區(qū)內(nèi)有強(qiáng)烈震感，此時(shí)一般為高度沖擊。

正常推進(jìn)期間老頂周期來壓階段:主要是老頂周期來壓的動(dòng)壓誘發(fā)小的斷裂震動(dòng)，但是能量不大，只在工作面有震感，此時(shí)一般為中度沖擊。

工作面過斷層前階段:工作面見斷層前40 m左右，地應(yīng)力與構(gòu)造力疊加，易發(fā)生沖擊地壓，根據(jù)斷層性質(zhì)和落差、巖性，判定為中度、高度沖擊。

不規(guī)則開采階段:工作面不規(guī)則開采時(shí)，應(yīng)力疊加，易發(fā)生沖擊地壓，此時(shí)一般為中度沖擊。

第二步:對(duì)危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行提前卸壓處理。

為了確保3400采區(qū)工作面的安全開采，應(yīng)采取“主動(dòng)解危措施”，并實(shí)施監(jiān)測(cè)監(jiān)控，同時(shí)建立相應(yīng)的管理制度。

主動(dòng)解危措施:對(duì)于劃定的危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)采取鉆孔法進(jìn)行主動(dòng)解危。

1)一般危險(xiǎn)區(qū)域:嚴(yán)格進(jìn)行鉆粉監(jiān)測(cè)。

2)中度危險(xiǎn)區(qū)域:打卸壓孔卸壓，孔徑110 mm，孔間距3～5 m。

3)高度危險(xiǎn)區(qū)域:打卸壓孔卸壓，孔徑110 mm，孔間距2～3 m。

4)鉆孔深度:采放厚度≤3 m時(shí)，孔深12 m。采放厚度3～5 m時(shí)，孔深17 m。采放厚度5～8 m時(shí)，孔深22 m。

5)開采過程中要經(jīng)常性打直徑42 mm的孔檢驗(yàn)危險(xiǎn)區(qū)的應(yīng)力狀況，檢驗(yàn)卸壓孔的卸壓效果，從而決定是否需要加密鉆孔或斷頂。

根據(jù)工作面頂板情況，煤層上直接覆蓋堅(jiān)硬厚層砂巖，需要在開切眼和預(yù)計(jì)的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行深孔斷頂卸壓。

具體參數(shù)和工藝在每個(gè)工作面另行制定深孔斷頂卸壓實(shí)施方案。

第三步:開采過程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。

具有高沖擊危險(xiǎn)性工作面必須采取預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警方法有以下幾種:鉆屑法、沖擊地壓在線監(jiān)測(cè)法、高精度微震監(jiān)測(cè)法、電磁輻射等。

第四步:采用檢驗(yàn)手段檢驗(yàn)卸壓效果。

開采過程中，采用沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，同時(shí)采用鉆屑法［5］進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2 煤體注水

煤層注水后由于煤的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，煤體積蓄彈性能的能力隨之下降，沖擊傾向性減弱，甚至完全失去沖擊能力，而以塑性變形方式消耗彈性能的能力增加，因此，煤層中儲(chǔ)存的可恢復(fù)彈性能減少。對(duì)有沖擊傾向性的煤層進(jìn)行煤體注水是一種很好的卸壓解危方法之一。

1)鉆孔設(shè)計(jì)。

a)鉆孔布置:工作面軌道順槽、皮帶順槽自切眼以外10 m開始布置第一個(gè)鉆孔，向外每隔20 m布置一個(gè)，深度50 m，一直布置至停采線位置。

b)鉆孔開孔位置視煤層裸露情況，布置在底板以上1000～1500 mm為宜，沿煤層傾斜方向，鉆孔直徑50 mm。

2)注水設(shè)計(jì)。

單孔注水量:

其中:

Kx—鉆孔前方煤體受濕潤(rùn)系數(shù)，取1.2;

L—鉆孔長(zhǎng)度，m;

B—鉆孔間距，m;

M—開采厚度，m;

W—煤的容重，t/m3，取1.42;

q—噸煤注水量，m3/t，取 0.04。

Q單=1.2 ×50 ×10 ×3 ×1.42 ×0.04=102.24 m3

若鉆頭進(jìn)入煤層頂?shù)装?，達(dá)不到設(shè)計(jì)孔深的2/3時(shí)，要報(bào)廢該孔，另選適當(dāng)位置，調(diào)整角度，重新開孔。

鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，必須用清水沖孔，排凈孔內(nèi)煤粉，臨時(shí)停鉆時(shí)，要將鉆頭提離孔底5 m，以防卡鉆。

當(dāng)流量表不再顯示進(jìn)水量后，穩(wěn)定2 h后，方可停止注水。

2.3 掘進(jìn)工作面防沖措施

在可能發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)采用鉆屑法監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)，若發(fā)現(xiàn)鉆孔內(nèi)有動(dòng)力顯現(xiàn)，如嚴(yán)重卡鉆、鉆孔壁有沖擊等現(xiàn)象，則需采取措施進(jìn)行卸壓。

1)掘進(jìn)迎頭放卸壓炮。

在掘進(jìn)施工迎頭中部布置3個(gè)眼，高度1.2 m左右，以方便打眼為原則，眼距0.4 m，眼深8 m，裝藥長(zhǎng)度為4 m，并封滿炮泥。每掘進(jìn)3～5 m放一次卸壓炮，始終超前卸壓3～5 m。卸壓炮眼布置見圖2。

圖2 掘進(jìn)迎頭卸壓炮眼布置圖

躲炮半徑按安全規(guī)程規(guī)定要大于150 m，躲炮時(shí)間要大于30 min。

鉆孔施工后要及時(shí)裝藥、引爆，以防塌孔或?qū)⒄ㄋ帀核蓝霈F(xiàn)拒爆。

迎頭放卸壓炮后，要在距離迎頭15～50 m范圍用鉆屑法進(jìn)行監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)，當(dāng)鉆孔煤粉量≥2.6 kg/m時(shí)，必須采取大直徑鉆孔進(jìn)行卸壓解危。

2)大直徑鉆孔卸壓。

大直徑鉆孔施工位置:巷道掘進(jìn)迎頭鉆孔布置平面圖見圖3，剖面圖見圖4。

圖3 巷道掘進(jìn)迎頭鉆孔布置平面圖

圖4 巷道掘進(jìn)迎頭鉆孔布置剖面圖

大直徑鉆孔施工要求:鉆孔直徑大于110 mm，鉆孔深度12 m(3.5倍巷道高度)。

在掘進(jìn)迎頭后方采用鉆屑法檢驗(yàn)沖擊危險(xiǎn)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)兩幫15 m深度范圍內(nèi)有沖擊危險(xiǎn)，鉆孔煤粉量≥2.6 kg/m，則需要在實(shí)體煤幫打大直徑卸壓孔卸壓，在掘進(jìn)迎頭后方5 m范圍內(nèi)開始施工，間距3～5 m，深度12 m。

2.4 采煤工作面防沖措施

1)打卸壓孔卸壓。

首先對(duì)可能發(fā)生的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域和危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過采用巖層運(yùn)動(dòng)和礦山壓力理論、壓力計(jì)算、構(gòu)造分析等方法，在工作面回采之前，對(duì)工作面危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)有中度以上沖擊危險(xiǎn)時(shí)，打卸壓孔卸壓。

a)中度危險(xiǎn)區(qū)域:打卸壓孔卸壓，孔徑110 mm，孔間距3～5 m。

b)高度危險(xiǎn)區(qū)域:打卸壓孔卸壓，孔徑110 mm，孔間距2～3 m。

c)鉆孔深度:采放厚度≤3 m時(shí)，孔深12 m。采放厚度3～5 m時(shí)，孔深17 m。采放厚度5～8 m時(shí)，孔深22 m。

大直徑卸壓鉆孔平面布置示意圖見圖5。大直徑卸壓鉆孔傾向剖面示意圖見圖6。

開采過程中要經(jīng)常性打直徑42 mm的孔檢驗(yàn)危險(xiǎn)區(qū)的應(yīng)力狀況，檢驗(yàn)卸壓孔的卸壓效果，從而決定是否需要加密鉆孔和放震動(dòng)炮及斷頂。

2)放震動(dòng)炮卸壓解危［6］。

打卸壓孔后，用鉆屑法進(jìn)行監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)，當(dāng)煤粉量≥3.5 kg/m時(shí)，必須停止一切工作，進(jìn)行放震動(dòng)炮解危。

震動(dòng)炮布置方式:眼深8 m，裝藥長(zhǎng)度達(dá)到4 m，眼間距3 m。平行于煤層層理布置炮眼，炮眼直徑42 mm。

躲炮半徑按安全規(guī)程規(guī)定要大于150 m，躲炮時(shí)間要大于30 min。

鉆孔施工后要及時(shí)裝藥、引爆，以防塌孔或?qū)⒄ㄋ帀核蓝霈F(xiàn)拒爆。

3 結(jié)論

生產(chǎn)實(shí)踐表明，梁寶寺煤礦3400采區(qū)應(yīng)用的防沖措施能夠有效地防范沖擊地壓事故的發(fā)生，通過檢測(cè)方法的綜合運(yùn)用，保證了該采區(qū)工作面的安全、順利開采。該采區(qū)在生產(chǎn)過程中因?yàn)榉罌_措施得當(dāng)，有效地防止了沖擊地壓的發(fā)生，使礦井能安全生產(chǎn)，說明該礦對(duì)沖擊地壓采取的防治措施是行之有效的，具有借鑒作用。

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