深井厚煤層綜放工作面動力災害防治技術(shù)探究

曹允欽 魏振全 沈 偉

(山東能源棗礦集團田陳煤礦，山東省滕州市，277523)

田陳煤礦位于滕南礦區(qū)南部，井田內(nèi)地勢東北高西南低，地面標高＋54.98～＋35.11m。隨著開采深度的不斷延伸，北七采區(qū)開采深度已達到800m，采區(qū)煤層平均厚度6.5m，上覆頂板為80m厚的中細砂巖和53.5m厚的礫巖是誘發(fā)沖擊地壓和礦震的主要動力源，采掘過程中煤炮頻繁，礦壓顯現(xiàn)明顯。解決深部支護難題和有效防范沖擊地壓災害成為田陳煤礦面臨的新課題。為提高沖擊地壓防治水平，田陳煤礦提出了震動場、應力場一體化的沖擊地壓監(jiān)測技術(shù)及分區(qū)治理思路，構(gòu)建了聯(lián)合監(jiān)測沖擊地壓的平臺，通過采用煤層大直徑鉆孔防沖技術(shù)，有效降低了工作面沖擊危險程度。

1 工作面概況

3下7110工作面位于北區(qū)西翼下山右翼，標高-673～-740m，平均標高-720m，工作面東側(cè)為7-15斷層，與3下7108綜放工作面采空區(qū)毗鄰，西側(cè)為7-14斷層，切眼與金莊井田毗鄰，3下7110綜放工作面平面位置如圖1所示。

圖1 3下7110綜放工作面平面位置示意圖

3下7110工作面煤層賦存較穩(wěn)定，煤層厚3.5～9.0m，煤層大部分含1層0～0.5m泥巖夾矸，受左側(cè)較大斷層影響，煤層局部破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育。煤層頂?shù)装鍡l件均為Ⅱ類?；卷敒楹?6～100m的中、細砂巖，普氏硬度系數(shù)為8～12；直接頂為0.1～4.0m的粉砂質(zhì)泥巖，普氏硬度系數(shù)為3～4；直接底為2.5～3.8m的粉砂質(zhì)泥巖，煤層底板有0.2m炭質(zhì)泥巖，普氏硬度系數(shù)為3～4；基本底為20～35m的細砂巖，普氏硬度系數(shù)為6～8。

2 監(jiān)測預警平臺

田陳煤礦為研究沖擊地壓發(fā)生征兆，探明采動影響下應力變化與微震變化規(guī)律，指導制定防沖措施，特別在3下7110工作面安裝了KJ21煤體應力在線監(jiān)測系統(tǒng)、ARA MIS m／E微震監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)工作面沖擊危險區(qū)域及程度劃分結(jié)果，結(jié)合KJ21煤體應力在線監(jiān)測系統(tǒng)特點及工作面地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況，3下7110綜放工作面運輸巷重點監(jiān)測工作面初次來壓、一次見方、二次見方及工作面周邊情況，考慮工作面運輸巷側(cè)未進行采掘活動，主要采取一般觀察，布置三組應力監(jiān)測測點收集數(shù)據(jù)；3下7110綜放工作面軌道巷距離底板0.8～1.5m高度每30m布置一組測點，監(jiān)測距離超前工作面200m處。每組測點布置2個KSE-Ⅱ-1鉆孔應力計，1個應力計水平埋設在巷道幫煤體深度7m處，另1個應力計水平埋設到巷道幫煤體深度15m處。

通過對多個應力曲線總結(jié)，工作面超前支承壓力影響范圍在超前工作面35～45m之間，峰值在超前工作面10～15m，持續(xù)影響距離14～18m，工作面前采動影響距離130～150m。礦壓顯現(xiàn)主要集中在工作面初次來壓、周期來壓、過聯(lián)絡巷、末采期間及中間巷附近，主要表現(xiàn)為頂板下沉、巷道大變形、煤炮增加、錨桿錨索崩斷。

結(jié)合ARA MIS m／E微震監(jiān)測系統(tǒng)特點及3下7110工作面布置方式，重點觀測軌道巷走向長度320～560m周邊區(qū)域 (見圖1)，設計在軌道巷走向長度410m、570m，運輸巷走向長度410m、880m、1120m，西翼軌道下山位置安裝6個微震監(jiān)控探頭。

3下7110綜放工作面實行 “四六制”作業(yè)，中班檢修，早班、晚班、夜班均為生產(chǎn)。對能量事件按照班次進行統(tǒng)計分析，將事件按照能量大小分為大能量事件 (能量在104J以上事件為大能量事件)和小能量事件 (能量在104J以下事件為小能量事件)，只有大能量事件才可能誘發(fā)沖擊災害。在3下7110綜放工作面對大能量事件和小能量事件進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 大能量事件和小能量事件統(tǒng)計結(jié)果 次

從班次來看，大能量事件主要集中在生產(chǎn)班，小能量事件基本持平，無明顯差異。說明工作面采動過程中容易誘發(fā)沖擊危險。對檢修班45次大能量事件進行統(tǒng)計分析，前2h共有事件19次，總能量大小為4.3×107J，后4h共有事件26次，總能量大小為2.0×107J。

從微震事件發(fā)生時間段來看，大能量事件主要集中在生產(chǎn)班與生產(chǎn)班結(jié)束之后2h內(nèi)，說明這一時間段沖擊危險程度較高，工作面生產(chǎn)期間必須實行限員管理，除必要崗點外一律不準入內(nèi)，生產(chǎn)任務結(jié)束后需封閉工作面2h再進行工作面檢修作業(yè)。

從微震事件發(fā)生標高來看，微震事件發(fā)生高度集中在-673～-740m標高，以10月7日-10月10日59次微震事件為例，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果頂板事件占56%，煤層事件占20%，底板事件占24%；頂板事件距離最大者為距切眼306m處，距離煤層44m，說明上覆高位巖層依然未發(fā)生斷裂；底板事件距離最大者為距切眼622m處，距離煤層33m。

統(tǒng)計結(jié)果表明，微震事件分布范圍廣，多集中在地質(zhì)構(gòu)造帶，說明微震時間不一定是受超前支承應力影響發(fā)生的，更多的是地質(zhì)構(gòu)造受采掘活動影響活化重新達到應力平衡的過程中產(chǎn)生的；從微震事件發(fā)生位置分析，沖擊地壓不一定發(fā)生在工作面超前支承應力范圍內(nèi)，還有可能發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造等應力集中區(qū)，進行采掘活動時過地質(zhì)構(gòu)造帶及煤層賦存變化帶要引起高度重視。

3 卸壓解危方案

3.1 強支護

軌道巷采用錨網(wǎng)梯 (帶)索支護作為頂板永久支護，即頂部打設4根高強預應力讓壓錨桿，錨桿間排距為1000mm×900mm，鋪掛鋼筋網(wǎng)及鋼筋梯 (W鋼帶)，在煤層頂板或頂板破碎段每隔三排距離在巷中打設1根錨索；兩幫部各打設4根普通樹脂錨桿，掛鐵絲網(wǎng)配鋼筋梯，其間排距為1000mm×900mm。頂板錨桿規(guī)格為?20mm×2400mm，幫部錨桿規(guī)格為?18mm×2000mm，頂板鋼筋梯規(guī)格為4000mm×70mm，W鋼帶規(guī)格為4000mm×275mm×2.75mm，錨索規(guī)格為?17.8mm的鋼絞線，其長度以其能錨入硬巖的深度不小于1.5m為準，兩幫鋼筋梯規(guī)格為3100mm×70mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為3400mm×1070mm，幫部鐵絲網(wǎng)規(guī)格為6000mm×1600mm。斷面形狀不規(guī)則，巷道凈寬為3.8m、凈高為3.2m，凈面積12.16m2。

工作面安裝9000-23／50型支撐掩護式液壓支架對頂板進行支護，采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板。最小控頂距5.05m，最大控頂距5.85m。

軌道巷超前支護采用單體液壓支柱配合HDJB-1000型鉸接頂梁支護，三排支護長度不小于60m，柱距為1m (誤差±0.1m)，每根單體液壓支柱必須穿?400mm鐵鞋，拴齊防倒繩或防倒桿。單體液壓支柱防倒繩不少于兩道，防倒繩拴在單體液壓支柱的中上部。

機尾無液壓支架地段采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁支護。當刮板輸送機機尾伸出支架超過0.5m時，必須在其上方架設4.4m長的π型鋼棚支護頂板。π型鋼棚必須成對使用，一梁三柱，交替邁步前移，正巷第一棚與液壓支架間距不大于0.5m，兩根π型鋼棚之間間距不大于0.3m。工作面兩端頭必須留下寬度不小于0.8m、高度不小于1.8m的安全出口。

3.2 強卸壓

沖擊地壓卸壓解危處理方法主要有頂板預裂、卸壓鉆孔及爆破卸壓等方法，根據(jù)田陳煤礦實際情況，最有效方法就是采取大孔徑卸壓鉆孔進行卸壓，通過實施大直徑鉆孔，煤體積聚能量高的地方將發(fā)生孔內(nèi)沖擊，排出大量煤粉，鉆孔周圍將形成一定破碎區(qū)，破碎區(qū)相互連接后將造成巷道一定深度圍巖發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，形成一個弱化帶，引起巷道周邊圍巖內(nèi)的高應力向深部轉(zhuǎn)移，從而使巷道周邊附近圍巖處于低應力區(qū)，當發(fā)生沖擊時，一方面大直徑鉆孔的空間能夠吸收沖出的煤粉，防止煤體沖出，另一方面卸壓區(qū)內(nèi)頂?shù)装宓拈]合產(chǎn)生楔形阻力帶，能夠一定程度阻止煤體沖出。

采煤工作面卸壓鉆孔布置巷道靠工作面?zhèn)?，鉆孔仰角沿煤層布置，孔口距底板1.0～1.5m；孔徑?110mm，孔深25m，間距2m，監(jiān)測到高度沖擊危險時需要調(diào)整卸壓鉆孔密度。

3.3 卸壓效果

通過微震發(fā)生位置進行對比可以看出，微震事件逐漸遠離巷道幫部，向煤層深部轉(zhuǎn)移，將應力集中區(qū)限定到工作面內(nèi)部，避免了誘發(fā)巷道沖擊。

根據(jù)2013年9月10-9月17日微震觀測結(jié)果，預測運輸巷走向長度400～430m處受巷道開挖與7-15斷層影響形成的地質(zhì)孤島煤柱應力集中，微震事件頻發(fā)，屬于薄弱區(qū)段，容易出現(xiàn)微震事件誘發(fā)煤柱煤體沖出或大面積片幫，安全隱患大。鉆孔卸壓前微震事件投影見圖2。

圖2 鉆孔卸壓前微震事件平面投影圖

針對上述問題，9月18日-9月20日在該區(qū)域組織施工卸壓鉆孔，鉆孔深度以在施工過程中鉆進到巖層為準，孔口高度0.5～1.5m，鉆孔直徑110mm，孔間距3m。

實際施工過程中以400～425m范圍為界，每3m使用氣動鉆機施工1個卸壓鉆孔，鉆桿直徑69mm，鉆頭直徑110mm，成孔直徑達到120 mm，累計施工卸壓鉆孔8個，深度都已見巖層200mm為準，平均深度8m。

圖3 鉆孔卸壓后微震事件平面投影圖

施工卸壓鉆孔后，對9月21-9月28日微震觀測結(jié)果進行分析，鉆孔卸壓后微震事件平面投影見圖3。由圖3中可以明顯看出微震事件次數(shù)明顯減少，能量明顯減弱， 維修成本高、影響安全生產(chǎn)等缺點，極大地減輕工人的勞動強度，與U形鋼可縮性拱形支架相比成本有了很大地降低，在同類型的巷道加固中具有很高的推廣價值。

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