唐口煤業(yè)首個(gè)防沖體系的構(gòu)建及預(yù)控

（山東能源淄礦集團(tuán)唐口煤業(yè)，山東 濟(jì)寧 272000）

唐口煤業(yè)首個(gè)防沖體系的構(gòu)建及預(yù)控

呂寶峰

（山東能源淄礦集團(tuán)唐口煤業(yè)，山東 濟(jì)寧 272000）

沖擊地壓是礦山井巷或采場周圍煤體與圍巖由于釋放變形能而產(chǎn)生的以突然、急劇而猛烈的破壞為特征的動(dòng)力現(xiàn)象。構(gòu)建責(zé)任、監(jiān)測、卸壓為一體的防沖體系，探索出礦井發(fā)生沖擊地壓一般規(guī)律，及時(shí)運(yùn)用微震、電磁輻射等方法監(jiān)測礦井沖擊危險(xiǎn)，采取煤層注水、卸壓爆破、大直徑鉆孔卸壓等方法進(jìn)行卸壓，釋放能量，消除沖擊危險(xiǎn)，為礦井的安全生產(chǎn)提供了可靠保障。

沖擊地壓；構(gòu)建體系；一般規(guī)律；可靠保障

引言

唐口煤業(yè)公司是淄礦集團(tuán)濟(jì)北礦區(qū)年生產(chǎn)能力最大的一對(duì)現(xiàn)代化礦井，年設(shè)計(jì)能力300萬噸，核定生產(chǎn)能力500萬噸，開采最深的工作面為-1300m。礦井不但具備水、火、瓦斯、煤塵、高地壓五大自然災(zāi)害，同時(shí)經(jīng)煤炭科學(xué)研究總院北京開采所做的沖擊傾向性鑒定結(jié)果，該公司3上煤層為具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層，3上煤層頂板、底板屬于2類，為具有弱沖擊傾向性的巖層，一但力源條件滿足，并受擾動(dòng)影響，便可能導(dǎo)致工作面發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。

一般情況下，礦井工作面煤層及頂?shù)装?、開采深度、斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造、工作面頂?shù)装鍡l件穩(wěn)定、煤層厚度及傾角變化、放炮等因素極易誘發(fā)沖擊地壓現(xiàn)象。當(dāng)開采深度達(dá)到800m以上時(shí)，沖擊危險(xiǎn)性接近最大值。當(dāng)工作面在斷層、褶曲等構(gòu)造附近回采作業(yè)時(shí)，構(gòu)造應(yīng)力釋放并作用在煤體上，造成煤體應(yīng)力集中，加之綜采產(chǎn)生的擾動(dòng)影響，易導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)。當(dāng)堅(jiān)硬頂?shù)装迤扑榛蚧七^程中突然釋放大量彈性能，導(dǎo)致頂板發(fā)生沖擊。當(dāng)煤層厚度突然變薄或變厚處，煤層厚度變化越劇烈，應(yīng)力集中的程度越高，沖擊地壓危險(xiǎn)性越高。當(dāng)放炮震動(dòng)時(shí)，能使煤層中的應(yīng)力迅速重新分布而增加局部煤體應(yīng)力，進(jìn)入極限平衡狀態(tài)，同時(shí)，能迅速解除煤壁邊緣側(cè)向約束力，使受力狀況發(fā)生改變，由三向受力向兩向受力轉(zhuǎn)化，使其抗壓強(qiáng)度下降，導(dǎo)致迅速破壞。因此，建立完善合理的礦井防沖體系是礦井安全高效生產(chǎn)的基本保證。

1 礦井沖擊地壓防治體系構(gòu)建的必要性

沖擊地壓是礦山井巷或采場周圍煤體與圍巖由于釋放變形能而產(chǎn)生的以突然、急劇而猛烈的破壞為特征的動(dòng)力現(xiàn)象。它往往造成慘重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，是礦井安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一。通過以往的礦井沖擊地壓事故看，特厚堅(jiān)硬頂板條件下，地應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力影響增大、極易誘發(fā)沖擊地壓；生斷層交匯點(diǎn)附近受地震影響，釋放出大量能量也會(huì)引發(fā)沖擊；堅(jiān)硬的巨厚砂巖頂板受地震影響，在破斷離層時(shí)釋放出大量能量，也會(huì)引發(fā)礦震。其中最主要的原因都是因?yàn)闆_擊地壓防治機(jī)構(gòu)不健全，有的礦井沒有采取任何的沖擊地壓防治措施造成的，沖擊地壓防治體系的構(gòu)建是有效防止沖擊地壓發(fā)生的一個(gè)必要條件。

2 防沖體系的構(gòu)建

2.1 責(zé)任體系構(gòu)建

2.1.1 設(shè)立防沖機(jī)構(gòu)。組建了防治沖擊地壓辦公室，任命了負(fù)責(zé)防沖專業(yè)技術(shù)的專職防沖副總工程師，配置了專職工作人員，組建了105人專業(yè)防沖隊(duì)伍。

2.1.2 健全防沖制度。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》有關(guān)沖擊地壓煤層開采規(guī)定，先后下發(fā)了《唐口煤業(yè)防治沖擊地壓管理規(guī)定（暫行）》、《唐口煤業(yè)公司沖擊地壓防治實(shí)施細(xì)則（暫行）》、《沖擊地壓防治綜合管理制度》，進(jìn)一步規(guī)范了礦井沖擊地壓的防治工作，做到了有章可循，為防沖擊地壓各項(xiàng)措施的落實(shí)，奠定了制度保障。

2.1.3 建立防沖安全生產(chǎn)責(zé)任制。健全完善了沖擊地壓防治責(zé)任體系，形成了公司、防沖辦、防沖隊(duì)“三級(jí)責(zé)任追究考核體系”，同時(shí)明確了防沖擊地壓體系內(nèi)的22個(gè)崗位工種的防沖安全生產(chǎn)責(zé)任。

2.2 監(jiān)測體系的構(gòu)建

2.2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)

唐口礦井巷道變形較為嚴(yán)重，壓力顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈，具有潛在的沖擊危險(xiǎn)性，為監(jiān)測礦井采掘過程中的煤巖體震動(dòng)事件，消除或減弱沖擊地壓發(fā)生帶來的危害。利用波蘭ARAMISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行沖擊礦壓災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)。

圖1

圖2

從沖擊地壓與巖體震動(dòng)的關(guān)系來看，發(fā)生沖擊地壓的最低能量為1×103J，大部分是從1×105J開始的，在能量級(jí)別為1×106J時(shí)，發(fā)生的沖擊地壓最多。但并不是每一個(gè)能量級(jí)別在1×109J的震動(dòng)都有沖擊地壓發(fā)生。

微震監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是對(duì)全礦范圍進(jìn)行微震監(jiān)測，是一種區(qū)域性監(jiān)測方法。自動(dòng)記錄微震活動(dòng)、實(shí)時(shí)進(jìn)行震源定位和微震能量計(jì)算，為評(píng)價(jià)全礦范圍內(nèi)的沖擊地壓的危險(xiǎn)性提供依據(jù)。其原理是：利用拾震儀站接收到的直接P波起始點(diǎn)的時(shí)間差，在特定條件下的波速場條件下進(jìn)行二維或三維定位，以判斷破壞點(diǎn)；同時(shí)利用震相持續(xù)時(shí)間計(jì)算所釋放的能量和震級(jí)，并標(biāo)入采掘工程圖并速報(bào)顯示給生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，以便及時(shí)采取措施。

構(gòu)建了四處ARP2000地面監(jiān)測分站，形成井上下聯(lián)合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，有效提高監(jiān)測精度，為沖擊地壓的防治提供有力的預(yù)測手段。

若微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到以下情況時(shí)，預(yù)測工作面具有沖擊危險(xiǎn)性，應(yīng)采取相應(yīng)卸壓解危措施。

（1）工作面內(nèi)2小時(shí)發(fā)生3次及以上能量大于1.0×104J的微震事件。

（2）工作面內(nèi)1小時(shí)發(fā)生2次及以上能量大于1.0×105J的微震事件。

（3）工作面內(nèi)發(fā)生1次能量大于1.0×106J的微震事件。

（4）經(jīng)微震監(jiān)測人員對(duì)一段時(shí)間內(nèi)微震活動(dòng)發(fā)生頻度及發(fā)生趨勢分析，預(yù)測作業(yè)地點(diǎn)可能發(fā)生沖擊地壓。

2.2.2 現(xiàn)場監(jiān)測鉆屑法

有沖擊危險(xiǎn)采掘工作面必須采用鉆屑法現(xiàn)場監(jiān)測，鉆屑法采用小直徑鉆頭（一般為42mm），鉆孔深度不小于7m，間距為3～5m（重點(diǎn)區(qū)域需加密）。記錄每米鉆進(jìn)時(shí)的煤粉量，接近或超過臨界指標(biāo)時(shí)，判定為有沖擊危險(xiǎn)；記錄鉆進(jìn)時(shí)的動(dòng)力效應(yīng)，如聲響、卡鉆、吸鉆、鉆孔沖擊等現(xiàn)象，作為鑒別沖擊危險(xiǎn)的參考指標(biāo)。

鉆屑法檢測沖擊危險(xiǎn)的指標(biāo)及判定方法：

（1）檢測指標(biāo)由煤粉量、深度和動(dòng)力效應(yīng)組成。煤粉量是每米鉆孔長度所排出的煤粉的質(zhì)量，單位為kg；深度是從煤壁至所測煤粉量位置的鉆孔長度，可折算成鉆孔地點(diǎn)實(shí)際采高的倍數(shù)，動(dòng)力效應(yīng)是鉆孔產(chǎn)生的卡鉆、孔內(nèi)沖擊、煤粉粒度變化等現(xiàn)象。

（2）用鉆粉率指數(shù)方法判別工作地點(diǎn)沖擊地壓危險(xiǎn)性的指標(biāo)，可參照表1的規(guī)定，實(shí)際鉆粉率達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)或出現(xiàn)鉆桿卡死現(xiàn)象，可判定所測工作地點(diǎn)有沖擊地壓危險(xiǎn)。

2.2.3 電磁輻射監(jiān)測法

采用便攜式電磁輻射儀對(duì)沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，每隔10m布置1個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)監(jiān)測時(shí)間為2分鐘。記錄煤（巖）破壞過程中電磁輻射強(qiáng)度的最大值及脈沖數(shù)，采用靜態(tài)臨界值及動(dòng)態(tài)趨勢法預(yù)測沖擊危險(xiǎn)，接近或超過臨界指標(biāo)時(shí)，判定為有沖擊危險(xiǎn)；若電磁輻射指標(biāo)升高較快，或指標(biāo)較高時(shí)突然下降，也判定為有沖擊危險(xiǎn)。

2.2.4 應(yīng)力在線監(jiān)測法

采煤工作面開采期間采用KJ550煤礦沖擊地壓應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行沖擊地壓的臨場預(yù)報(bào)。根據(jù)回采工作面的特點(diǎn)及構(gòu)造特征，壓力傳感器安裝在軌皮順生產(chǎn)幫，自切眼前方40m開始，每25m一組，每組2個(gè)，埋設(shè)深度分別為10m、15m，每組兩個(gè)測點(diǎn)間距1m。

表1 判別工作地點(diǎn)沖擊地壓危險(xiǎn)性的鉆粉率指數(shù)

表2 2310回采工作面初始預(yù)警值設(shè)置

回采工作面的初始預(yù)警值設(shè)置見表2。

2.2.5 礦壓在線監(jiān)測法

（1）綜采工作面礦壓監(jiān)測法

①壓力分機(jī)布置：綜采工作面每隔8個(gè)支架布置一臺(tái)壓力分機(jī)。通過監(jiān)測工作面內(nèi)支架的工作阻力變化規(guī)律，為評(píng)價(jià)支架支所效果、支架對(duì)該類頂板的適應(yīng)性以及頂板初次來壓、周期來壓等規(guī)律提供依據(jù)。

②頂板離層儀的布置：采煤工作面軌道順槽每隔100m布置一臺(tái)離層傳感器。通過離層傳感器監(jiān)測頂板離層位置、離層速度變化，用于判斷頂板破壞范圍，對(duì)巷道穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，對(duì)巷道所處的安全等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（2）綜掘工作面頂板離層觀測法

頂板離層儀在全煤掘進(jìn)巷道在順槽中每隔50m布置一個(gè)測點(diǎn)，其深基點(diǎn)保證進(jìn)入煤層頂板穩(wěn)定巖層中，深度不低于6m，淺基點(diǎn)固定在巷道頂板以上2.4m的巖層中。自安設(shè)之日起，15日內(nèi)每天觀測一次，以后每兩天觀測一次，一個(gè)月后每3天觀測一次，每個(gè)測點(diǎn)觀測日期為2個(gè)月，頂板離層大于45mm的測點(diǎn)必須進(jìn)行分析研究頂板變化情況。

2.3 卸壓體系的構(gòu)建

2.3.1 煤層注水法

通過煤層注水，煤的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、強(qiáng)度下降、變形特性明顯“塑化”，煤體中積聚彈性能的能力下降，以塑性變形方式消耗彈性能的能力增加，煤的沖擊傾向性大為減弱，甚至完全失去沖擊能力。

2.3.2 卸壓爆破法

通過對(duì)煤體實(shí)施鉆孔爆破，使鉆孔周圍一定區(qū)域的煤巖體產(chǎn)生裂隙，其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，承載能力下降，在一定的范圍內(nèi)形成卸載帶，便于應(yīng)力和能量的釋放，消除發(fā)生沖擊地壓的應(yīng)力條件，避免沖擊地壓的發(fā)生。

2.3.3 大直徑鉆孔卸壓法

利用鉆孔方法消除或減緩沖擊地壓危險(xiǎn)的解危措施。鉆孔卸壓的實(shí)質(zhì)是利用高應(yīng)力條件下，煤層中積聚的彈性能來破壞鉆孔周圍的煤體，使煤層卸壓、釋放能量，消除沖擊危險(xiǎn)。

礦井發(fā)生沖擊地壓一般規(guī)律

（1）多發(fā)生在二、三、四原煤層采煤和掘進(jìn)工序中發(fā)生前，小沖擊次數(shù)和能量迅速增加，一般持續(xù)2-3天后會(huì)出現(xiàn)大沖擊之后，次數(shù)和能量明顯降低。

（2）多發(fā)生在采深600-800m以下。

（3）多發(fā)生在采掘接近采空區(qū)、煤柱、停采線、老巷、煤層分叉、傾角變化等50m左右。

（4）多發(fā)生在采掘接近距斷層及向、背斜軸部30-60m區(qū)域。

（5）多發(fā)生采煤面上下端頭30m，上下平巷150m區(qū)域。

（6）多發(fā)生巷道掘進(jìn)距迎頭10-50m區(qū)域。

（7）多發(fā)生巷道三岔點(diǎn)、四岔點(diǎn)區(qū)域。

（8）多發(fā)生頂板來壓時(shí)，頂板動(dòng)靜載荷疊加誘發(fā)沖擊波。

結(jié)語

近三年來，通過防沖體系的不斷健全和完善，有效的防止了采掘工作面沖擊地壓事故的發(fā)生，為礦井的安全生產(chǎn)提供了可靠保障。

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