高應(yīng)力孤島工作面掘進(jìn)期間沖擊地壓治理與監(jiān)測

趙國宏 閆春杰

(開灤 (集團(tuán))有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司，河北省唐山市，063000)

唐山礦T2051西工作面屬于孤島煤柱開采，承受煤體高應(yīng)力作用，再加上受工作面擾動影響，沖擊地壓危險性將更加突出。針對唐山礦T2051西孤島工作面掘進(jìn)期間的沖擊地壓問題，采取了監(jiān)測手段和防控解危措施，實現(xiàn)了孤島工作面的安全掘進(jìn)，對類似條件下煤炭資源的開采具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

唐山礦T2051西孤島工作面北部為T2051、5058、5056北、5056、5054工作面采空區(qū)，南部為5050、5158、5154、5156工作面采空區(qū)，東部為F4斷層，是典型的孤島工作面開采，如圖1所示。工作面區(qū)域應(yīng)力高度集中，礦壓顯現(xiàn)比較明顯。在其附近工作面回采過程中，曾發(fā)生過多次沖擊地壓事故。

圖1 T2051西工作面工程平面圖

T2051西工作面埋深為-502～-560m；煤層厚度2.2～2.7m，平均厚度為2.4m；煤層傾角為4°～13°，平均8°；頂板為深灰色泥巖、灰色和灰白色細(xì)砂巖。T2051西工作面區(qū)域斷層發(fā)育，共有5條斷層，其中一條距運(yùn)輸巷起點(diǎn)827m，其余4條均位于回風(fēng)巷。2條回采巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面尺寸為5.2m×2.5m (寬×高)。

2 T2051西工作面掘進(jìn)期間沖擊地壓治理

2.1 沖擊地壓強(qiáng)度弱化減沖理論

在沖擊地壓強(qiáng)度弱化減沖理論中，采取松散煤巖體的方式降低煤巖體的強(qiáng)度和沖擊傾向性，達(dá)到解危效果。T2051西孤島工作面鄰近采空區(qū)，在掘進(jìn)巷道的過程中，周圍煤巖體中存在著能量的積聚、轉(zhuǎn)移、釋放的過程。采用邊掘進(jìn)、邊監(jiān)測、邊治理的強(qiáng)度弱化減沖技術(shù)，即工作面掘進(jìn)→沖擊危險監(jiān)測→能量聚積→卸壓措施→能量釋放過程，可以將能量釋放出來，減小沖擊危險性，達(dá)到?jīng)_擊地壓治理的目的。

2.2 沖擊地壓危險區(qū)域劃分

通過對類似條件下沖擊地壓案例分析，結(jié)合T2051西孤島工作面的開采情況和構(gòu)造條件，研究沖擊地壓發(fā)生的條件和開采環(huán)境等，并進(jìn)行了危險區(qū)域的劃分。根據(jù)邊界型、構(gòu)造型、復(fù)合型3種類型將T2051西工作面危險區(qū)域進(jìn)行劃分，見圖1中橢圓形區(qū)域。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ區(qū)域主要是受采空區(qū)側(cè)壓影響的邊界型危險區(qū)域；Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ區(qū)域主要是受采空區(qū)側(cè)壓和斷層構(gòu)造共同影響的復(fù)合型危險區(qū)域；Ⅶ區(qū)域是受到5050工作面采空區(qū)側(cè)壓的影響，加上巷道布置在高應(yīng)力區(qū)內(nèi)，受到超前支承壓力的作用，屬于復(fù)合型危險區(qū)域，沖擊危險性較大。其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ區(qū)域具有弱沖擊地壓危險，Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ區(qū)域具有較大沖擊危險。

2.3 沖擊地壓防治技術(shù)的應(yīng)用

對掘進(jìn)期間已劃分的沖擊危險區(qū)域采用沖擊地壓防治技術(shù)措施進(jìn)行卸壓處理，防止掘進(jìn)過程中發(fā)生沖擊地壓事故。

2.3.1 回風(fēng)巷EF段掘進(jìn)位置調(diào)整

T2051西孤島工作面回風(fēng)巷經(jīng)過EF位置 (圖1中的Ⅶ區(qū)域)，原EF回風(fēng)巷位置與5050采空區(qū)煤柱最大距離為19m，由于5050工作面與5156工作面的開采原因，遺留了一部分煤柱，為盡可能的回收煤柱，使得T2051西工作面成刀把形狀開采，原計劃EF段回風(fēng)巷距5050采空區(qū)煤柱19m進(jìn)行直角拐彎，這樣會進(jìn)一步導(dǎo)致EF段巷道處于側(cè)向支承壓力高峰區(qū)，受到較大超前支承壓力作用，巷道破壞性較大；通過對巷道支承壓力分布特征的分析，加上對相鄰工作面支承壓力分布的研究，得出內(nèi)應(yīng)力場一般為5～7m，要使巷道處于側(cè)向支承壓力的內(nèi)應(yīng)力場，受到較小的支承應(yīng)力作用，才能夠保存巷道的完整性，經(jīng)設(shè)計后改為在E1F1位置進(jìn)行拐彎掘進(jìn)，與5050采空區(qū)保留5m煤柱，E1F1段回風(fēng)巷處于支承壓力的內(nèi)應(yīng)力場，所受應(yīng)力減小，避免了掘進(jìn)期間沖擊地壓事故的發(fā)生，如圖2所示。

圖2 回風(fēng)巷EF段掘進(jìn)位置調(diào)整前后示意圖

2.3.2 巷道卸壓

采取鉆孔卸壓和爆破卸壓方法對應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行卸壓，同時充分利用運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷兩側(cè)采空區(qū)遺留的原始巷道作為卸壓巷，使得應(yīng)力向卸壓巷轉(zhuǎn)移，在減小巷道側(cè)向壓力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步卸壓處理。由于運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷橫穿了多條已回采完畢的原始巷道，這些巷道的應(yīng)力處于疊加狀態(tài)，受到破壞后會失去平衡，釋放積聚的能量，因此在兩條巷道橫穿多條老巷位置的前后5m范圍內(nèi)不采取卸壓措施。

(1)架柱式鉆機(jī)鉆孔卸壓。利用架柱式鉆機(jī)在煤壁上打鉆孔，破壞鉆孔周圍的煤體，使煤層卸壓、釋放煤層中積聚的彈性能，消除沖擊危險。在運(yùn)輸巷掘進(jìn)前期 (圖1所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ位置)使用架柱式鉆機(jī)在巷道煤壁上打大直徑鉆孔卸壓，每隔1m在巷幫兩側(cè)打?105mm的大孔徑鉆孔，孔深為6～10m，鉆孔距離底板1.2m，如圖3所示。

圖3 大直徑鉆孔卸壓示意圖

(2)爆破卸壓。爆破卸壓是對具有沖擊地壓危險的區(qū)域用放震動炮方法減緩其應(yīng)力集中程度的一種解危措施。爆破卸壓屬于內(nèi)部爆破，主要作用是使煤層產(chǎn)生大量裂隙，裂隙導(dǎo)致煤體彈性模量減小，強(qiáng)度降低，積聚的彈性能減少，破壞了沖擊地壓發(fā)生的強(qiáng)度條件和能量條件。具體措施為在T2 051西工作面掘進(jìn)過程中的危險區(qū)域 (Ⅰ～Ⅵ、Ⅷ)進(jìn)行爆破卸壓，使用煤電鉆打孔，爆破卸壓炮眼布置見圖4，孔徑為27mm，炮眼距巷道底板1.2～1.5m，炮眼間距為3m，孔深為8m，每眼裝藥量為450～750g，每次爆破孔數(shù)為3～5個，爆破后在爆破地點(diǎn)重新打孔，量取煤屑來驗證爆破前后煤粉量大小，以確定卸壓效果。

圖4 爆破卸壓炮眼布置

3 沖擊地壓監(jiān)測技術(shù)

針對T2051西工作面的沖擊地壓危險區(qū)域劃分進(jìn)行具體的沖擊地壓監(jiān)測。采用應(yīng)力在線監(jiān)測法監(jiān)測、鉆屑法監(jiān)測和電磁輻射法監(jiān)測相結(jié)合的沖擊地壓監(jiān)測方法對危險區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測。

3.1 礦壓應(yīng)力監(jiān)測布置

應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)對沖擊地壓危險區(qū)域的監(jiān)測可以即時觀測到監(jiān)測區(qū)域的應(yīng)力參數(shù)，為沖擊地壓的防治提供即時有效的數(shù)據(jù)。

將鉆孔應(yīng)力計安裝在危險區(qū)域 (Ⅰ～Ⅷ區(qū)域)的巷道內(nèi)，尤其是復(fù)合型危險區(qū)域 (Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ區(qū)域)觀測區(qū)域煤體在靜態(tài)和動壓影響下的應(yīng)力變化情況。具體措施為每隔70m在巷道采空區(qū)側(cè)煤壁安裝一個鉆孔應(yīng)力計，鉆孔直徑42mm；在巷道頂板中部、中線左右各1m處的錨桿端部各安裝1個錨桿測力計監(jiān)測巷道頂板壓力；在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷頂板每隔30m安裝1個頂板離層儀監(jiān)測頂板下沉情況，同時每隔30m布置一個巷道變形觀測點(diǎn)，監(jiān)測巷道水平變形及頂?shù)装逡平俊?/p>

3.2 鉆屑法監(jiān)測

鉆屑法是通過在煤體中打孔、通過測量鉆孔煤粉量的大小以確定相應(yīng)的煤體應(yīng)力狀態(tài)，并結(jié)合深度和動力效果來判斷煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中情況，進(jìn)而鑒別沖擊危險性的預(yù)測方法。依據(jù)圖1所劃分的危險區(qū)域Ⅰ～Ⅷ對T2051西工作面的運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷兩幫進(jìn)行鉆孔煤粉量的監(jiān)測，根據(jù)煤粉量大小判斷其危險性，同時依據(jù)鉆孔鉆進(jìn)過程的微沖擊現(xiàn)象和卡鉆、吸鉆等進(jìn)行沖擊危險判定。鉆孔直徑?42 mm，孔深7.0m，間距5.0m，孔距底板1.2m左右，單排布置，鉆孔方向為水平垂直巷幫。

3.3 電磁輻射監(jiān)測

煤巖變形破裂時，將會產(chǎn)生電磁輻射現(xiàn)象。煤體中應(yīng)力越高，變形破裂過程越強(qiáng)烈，電磁輻射信號越強(qiáng)。T2051西工作面采用KBD5礦用本安型電磁輻射儀進(jìn)行檢測，在危險區(qū)域Ⅰ～Ⅷ，特別是Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ范圍內(nèi)的巷道每隔10m布置一個站點(diǎn)進(jìn)行電磁輻射檢測，每個測站監(jiān)測巷道兩幫、底板、頂板 (在卸壓巷區(qū)域不監(jiān)測頂板)等多個測點(diǎn)。每班監(jiān)測一次，每個點(diǎn)測量時間為2min。

對上述多種監(jiān)測方法所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明所實施的沖擊地壓治理措施效果顯著，各個監(jiān)測值均小于預(yù)警值且無異常，沖擊地壓危險得以消除，順利實現(xiàn)了T2051西工作面的安全掘進(jìn)。

4 結(jié)論

在T2051西工作面掘進(jìn)過程中，在對運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷劃分了危險區(qū)域的基礎(chǔ)上，利用沖擊地壓強(qiáng)度弱化減沖理論，改變了回風(fēng)巷拐彎段位置，采用了架柱式鉆機(jī)鉆孔卸壓和爆破卸壓的措施對危險區(qū)域進(jìn)行了解危處理，成功避免了掘進(jìn)過程中沖擊地壓事故的發(fā)生。并配合鉆屑法、應(yīng)力監(jiān)測法和電磁輻射法等監(jiān)測技術(shù)實時監(jiān)測，對所得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)及時進(jìn)行分析、比較，掌握了T2051西工作面巷道的應(yīng)力變化規(guī)律，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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