礦井建設(shè)時期沖擊地壓防治程序與技術(shù)

潘俊鋒

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京100013;2.煤炭科學研究總院開采設(shè)計研究分院，北京100013)

沖擊地壓災害是沖擊危險性煤層開采過程中條件、技術(shù)、管理之間關(guān)系失衡的產(chǎn)物，由于對沖擊地壓發(fā)生的根本性機理認識不夠［1］，導致目前一些規(guī)律性的認識屢次被刷新，比如傳統(tǒng)的認識是深部開采發(fā)生沖擊地壓，而近幾年新疆、平莊、華亭等礦區(qū)打破這一認識;原有的教科書里稱除了褐煤，其他煤種都會發(fā)生沖擊地壓，而平莊礦區(qū)就是褐煤;原有的認識認為新礦井建設(shè)期不會發(fā)生沖擊地壓，只有充分采動或進入深部的生產(chǎn)礦井才會發(fā)生沖擊地壓，本文研究案例恰打破這一認識。

受認識程度及僥幸心理的影響，沖擊地壓防治一直處于被動狀態(tài)，幾乎所有礦井都是災害顯現(xiàn)了、制約生產(chǎn)了才采取應(yīng)對措施，所以目前沖擊地壓防治研究幾乎都針對生產(chǎn)礦井，并且集中在局部解危系列技術(shù)上［2－6］。實踐證明，如果沒有在開采設(shè)計階段從根本上區(qū)域預防沖擊地壓，就會增大開采過程中局部防沖強度與難度，防沖失敗的概率自然增大。為此，理論認識的進步促使了政策法規(guī)的完善，新的安全法規(guī)對新礦井建設(shè)要求對沖擊地壓發(fā)生可能性進行論證，并依據(jù)論證結(jié)果進行符合防沖規(guī)定的初步設(shè)計，但是新批礦井如何在防治沖擊地壓技術(shù)指導下開展基本建設(shè)，是近幾年才開始探索的問題，尚無成熟范例，多數(shù)礦井因此拖延了建設(shè)工期，造成經(jīng)濟損失。

本文以陜西某大型礦井為工程背景，分別從礦井設(shè)計階段區(qū)域防范及礦井掘進、回采階段局部解危兩個環(huán)節(jié)系統(tǒng)介紹礦井建設(shè)期間沖擊地壓的防治程序與技術(shù)，研究可為其他類似沖擊地壓礦井建設(shè)提供借鑒。

1 工程背景

礦井設(shè)計生產(chǎn)能力5Mt/a，井田可采煤層3層，其中4煤為大部分可采煤層。井田構(gòu)造總體形態(tài)為一走向北東～北東東，傾向北西的單斜。采用盤區(qū)式開拓，一盤區(qū)為首建設(shè)區(qū)域，埋深1000m左右，主采4煤層厚度為10m左右，基本頂為255m厚中砂巖，底板為鋁土泥巖。煤層易自燃，瓦斯高。

礦井一盤區(qū)4條盤區(qū)大巷全部設(shè)計為全煤巷道，各巷已掘進700m左右，掘進施工過程中，截止到2014年11月25日，共發(fā)生動力現(xiàn)象6次，發(fā)生的位置也遍及當前的一盤區(qū)的所有掘進工作面。動力顯現(xiàn)的發(fā)生位置均在掘進迎頭及迎頭后方，每次發(fā)生后底鼓現(xiàn)象較為明顯，其次表現(xiàn)為兩幫變形和迎頭大塊煤崩出等特征。

2 礦井設(shè)計階段區(qū)域防范性工作

礦井設(shè)計階段區(qū)域防范性工作，應(yīng)該是在初步設(shè)計時考慮的問題，由于缺乏規(guī)范性防沖程序指導，我國新批復的礦井，在交由設(shè)計院設(shè)計時，幾乎都不考慮沖擊地壓災害。后期在災害治理上，法規(guī)要求出現(xiàn)許多問題，導致審批等程序進退兩難。本文將以已經(jīng)在建井開拓階段發(fā)生沖擊地壓的礦井為例，分析區(qū)域設(shè)計的防沖程序與技術(shù)。

2.1 沖擊地壓礦井識別

并非所有礦井都會發(fā)生沖擊地壓，在礦井井田范圍內(nèi)發(fā)生過沖擊地壓的煤層，或經(jīng)鑒定煤層或其頂板巖層具有沖擊傾向性，且評價具有沖擊危險性的煤層為沖擊地壓煤層;在礦井的開拓、生產(chǎn)過程中有沖擊地壓煤層的礦井為沖擊地壓礦井。確認為沖擊地壓礦井，在設(shè)計階段自然要考慮防沖要求。

因此，對于一個新建礦井，首先要對地質(zhì)鉆探煤樣進行煤巖沖擊傾向性鑒定，然后根據(jù)井田地質(zhì)動力條件和地質(zhì)勘探部門提供的基礎(chǔ)資料進行沖擊危險性評估，從而辨別該礦井是否按照沖擊地壓礦井管理。

實質(zhì)上，本文所指礦井在大巷開拓期間已經(jīng)出現(xiàn)動力顯現(xiàn)，進一步進行煤巖沖擊傾向性鑒定，4煤具有強沖擊傾向性;4煤的頂、底板巖層具有弱沖擊傾向性。煤巖的沖擊傾向性表明，礦井開采4煤層已經(jīng)具備發(fā)生沖擊地壓的內(nèi)在因素，今后發(fā)生沖擊地壓與否，主要在于采掘空間載荷的集中程度，因此在設(shè)計階段就需要在開拓設(shè)計、采煤方法等方面開展載荷的疏導，從區(qū)域方面大范圍疏導應(yīng)力，最大限度降低因不合理開拓造成的應(yīng)力集中。

2.2 基于地應(yīng)力測試的開拓巷道布置

基于地應(yīng)力測試的開拓巷道布置，是指依據(jù)地應(yīng)力分布方向設(shè)計開拓、準備巷道，避免局部應(yīng)力集中。實測表明，井工開采的煤礦中，水平應(yīng)力一般都大于垂直應(yīng)力，沖擊地壓礦井往往是最大水平主應(yīng)力明顯大于最小水平主應(yīng)力，水平應(yīng)力的大小及方向反映了地層運動能量的存儲狀況。實際煤礦開采過程中，防沖要求各條巷道交叉時，都是垂直交叉，因此，做到一條巷道軸線方向符合地應(yīng)力要求，其他交叉巷道就難以滿足要求。因此，沖擊地壓礦井主要巷道及服務(wù)年限長的巷道應(yīng)順應(yīng)地應(yīng)力分布規(guī)律，降低應(yīng)力集中程度。

2017年隴西縣的“貧中之貧、堅中之堅”深度貧困鄉(xiāng)鎮(zhèn)還有5個、深度貧困村還有57個（建檔立卡貧困村31個、非建檔立卡貧困村26個），要解決貧困程度深、貧困面大的問題，還需動員更多的社會力量參與深度貧困村的結(jié)對幫扶協(xié)作。

基于地應(yīng)力的角度進行巷道布置時，應(yīng)該研究巷道軸線方向與最大水平主應(yīng)力之間的夾角，最優(yōu)的夾角應(yīng)使作用在巷道圍巖邊界上的法向應(yīng)力比值(σn/σv)等于1，最優(yōu)夾角隨原巖應(yīng)力場型式的不同而不同［7］。

圖1為該礦井一盤區(qū)最大水平主應(yīng)力分布方向。測試結(jié)果表明，在量值上，最大水平主應(yīng)力σH與最小水平主應(yīng)力σh的比值為4.48～5.25，約為垂直主應(yīng)力σv的1.61～1.81倍，地應(yīng)力場類型屬σHV型。由文獻［7］中提供的公式計算最佳巷道布置夾角為42.5°。最大水平主應(yīng)力方向與盤區(qū)大巷近似平行，盤區(qū)大巷作為應(yīng)保護巷道，根據(jù)該區(qū)地應(yīng)力類型，其軸線方向與最佳角度相差約42.5°，建議后期巷道設(shè)計時，參考這一數(shù)值。

圖1 水平主應(yīng)力方向

2.3 沖擊地壓煤層合理采煤方法選擇

沖擊地壓煤層合理采煤方法選擇，是指在合理開拓巷道布置基礎(chǔ)上，從有利于高集中應(yīng)力疏導角度選擇合理采煤方法。不可否認，無論采用哪一種采煤方法，都不能解決巷道沖擊的問題。理論與實踐證明，厚及特厚煤層采用分層綜采時，頂分層開采不僅兩巷存在沖擊，工作面也是沖擊隱患點，而采用綜放開采，頂煤作為墊層，緩沖層，迫使高應(yīng)力向煤壁深處轉(zhuǎn)移，超前支承壓力由峰值點轉(zhuǎn)變?yōu)榉逯祬^(qū)域，并且量值減小，有利于緩解工作面沖擊地壓災害。圖2為厚煤層采用不同采煤方法時，工作面超前支承壓力分布對比。

圖2 采煤方法與工作面超前支承壓力

上世紀90年代煤科總院北京開采所論證將新汶華豐煤礦4煤層分層開采，改為一次采全厚的綜放開采，2013年鶴崗峻德煤礦“3.15”沖擊地壓事故，均說明綜采分層開采頂分層沖擊地壓的危險性。但是有些礦區(qū)為了覆巖保水開采，初步設(shè)計采用分層綜采，將增大發(fā)生沖擊地壓的危險性。建議開展綜采放頂煤采煤方法論證。

2.4 合理煤柱寬度留設(shè)

此環(huán)節(jié)，是在鑒定為沖擊地壓煤層時，需要研究合理的區(qū)段煤柱尺寸，從而降低生產(chǎn)過程中沖擊地壓災害程度及巷道維修成本。區(qū)段煤柱尺寸受煤體強度、煤層傾角、自然發(fā)火、開采方式、頂板條件等各種因素影響，對于單巷掘進，七臺河礦區(qū)采用沿空留巷巷旁充填寬度為2.5m左右;兗州礦區(qū)近水平煤層綜放面一般留4.5m煤柱;義馬礦區(qū)及濟寧礦區(qū)綜放面一般留6m;而平莊特厚煤層大傾角工作面一般留8m。但是對于高瓦斯礦井，雙巷掘進間的隔離煤柱，潞安礦區(qū)煤層較軟留35m發(fā)生過動力顯現(xiàn)，彬長礦區(qū)留20m也不合理，因此需要根據(jù)自身條件從理論及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方面進行摸索。

2.5 煤層開采順序

沖擊地壓礦井，應(yīng)優(yōu)先選擇無沖擊地壓煤層作為保護層。礦井中所有煤層都有沖擊地壓危險時，應(yīng)選擇沖擊危險性較弱的煤層作保護層。

針對同層煤，確定沿煤層傾向順序開采。圖3為不合理開采順序，導致孤島煤柱的形成。礦井受多種災害制約，因此建議為了達產(chǎn)，需要多采區(qū)布置的礦井，嚴禁跳采，孤島開采。

3 礦井掘進、回采階段局部解危性工作

沖擊地壓礦井應(yīng)堅持“區(qū)域先行、局部跟進”的防沖原則，本文研究礦井，由于沒有盡早地識別出礦井類型，導致初步設(shè)計、基建工程都沒有考慮防沖要求，加之條件特殊，因此大巷開拓就發(fā)生動力顯現(xiàn)，實質(zhì)已經(jīng)進入掘進工作面局部沖擊地壓解危的環(huán)節(jié)。發(fā)生沖擊地壓后，采用局部性解危措施，國內(nèi)外在此環(huán)節(jié)作了大量的研究工作。由于監(jiān)測、防治方法復雜多變，涉及資本投入、工程量、人力成本及效果的問題。作者在大量理論與實踐驗證基礎(chǔ)上，建立了采掘空間局部防治沖擊地壓的理論與技術(shù)體系，見圖4。

圖3 孤島煤柱的形成

圖4 局部防治沖擊地壓的理論與技術(shù)體系

(1)如圖4所示，首先確定礦井沖擊地壓啟動條件［8］，即摸清采動圍巖近場集中靜載荷源有哪些;遠場集中動載荷源有哪些;哪種載荷源起主導作用。

(2)開展沖擊啟動載荷源分源監(jiān)測。對集中靜載荷采用巖石力學方法進行監(jiān)測，具體可采用應(yīng)力監(jiān)測法和煤粉鉆屑法;對集中動載荷采用地球物理方法進行監(jiān)測，具體在井田范圍開展微震監(jiān)測;在重點工作面范圍開展地音監(jiān)測。

(3)根據(jù)沖擊地壓載荷源分源監(jiān)測結(jié)果，開展有針對性地防治。針對巖石力學方法監(jiān)測到靜載荷的高度集聚，采用“卸”、“支”耦合方法進行沖擊地壓防治，具體為在沖擊地壓危險區(qū)域以深孔區(qū)間疏壓為主，以強力支護圍巖為輔，通過圍巖近場的“卸”、“支”耦合結(jié)構(gòu)促使圍巖極限平衡區(qū)協(xié)調(diào)變形，控制沖擊地壓災害發(fā)生;對于地球物理方法監(jiān)測到的集中動載源的產(chǎn)生，采用逐一消源法進行沖擊地壓預防，具體為依據(jù)監(jiān)測定位結(jié)果，預先進行頂板、底板的預裂爆破，并減少同一時間、同一區(qū)域的爆破工程量。

由沖擊啟動理論可知［8］，沖擊地壓發(fā)生過程經(jīng)歷3個階段，依次為沖擊啟動階段—沖擊能量傳遞階段—沖擊地壓顯現(xiàn)階段。沖擊地壓顯現(xiàn)以人員傷亡、設(shè)備損壞等表征其災害本質(zhì)。因此，對于沖擊地壓的防治，本體系主要針對前兩個階段。

第1階段:針對沖擊啟動階段，阻止沖擊啟動。

第2階段:如果沖擊啟動條件具備了，針對沖擊能量傳遞階段，降低能量總量和減小剩余能量釋放速度。

在礦井一盤區(qū)大巷出現(xiàn)動力顯現(xiàn)之后，課題組受邀進入現(xiàn)場，經(jīng)過充分論證與沖擊危險性評價，礦井已按照圖4所示體系啟動沖擊地壓防治工作。自2014年11月25日至本文截稿沒有發(fā)生破壞性動力顯現(xiàn)。

4 結(jié)論

沖擊地壓的產(chǎn)生是有原因的，沖擊地壓的消失也是有原因的。礦井建設(shè)階段的開拓活動與后期采掘空間沖擊地壓發(fā)生密切相關(guān)?？紤]防沖要求的基本建設(shè)不但降低了礦井后期沖擊地壓防治強度、難度;而且從根本上節(jié)省了防沖成本，降低了勞動強度。本文所述案例有力證明了新建礦井合理的初步設(shè)計對防沖工作的重要性，只有提高認識，超前意識，規(guī)范部署，才能沉著應(yīng)對災害。

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