孤島工作面高應(yīng)力區(qū)沖擊地壓防治技術(shù)

吳東旭，苗黎暉，桂　兵（兗礦集團(tuán)濟(jì)三煤礦，山東　濟(jì)寧　272　06　9）

孤島工作面高應(yīng)力區(qū)沖擊地壓防治技術(shù)

吳東旭，苗黎暉，桂兵
（兗礦集團(tuán)濟(jì)三煤礦，山東濟(jì)寧272069）

綜放孤島工作面礦壓顯現(xiàn)一般較強(qiáng)烈，較強(qiáng)的礦壓顯現(xiàn)容易誘發(fā)沖擊地壓，特別是工作面過特殊地質(zhì)條件期間，如斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造因素影響，導(dǎo)致形成較強(qiáng)應(yīng)力集中區(qū)，造成工作面回采困難，影響礦井的安全生產(chǎn)。通過沖擊地壓防治的多種技術(shù)方案，加強(qiáng)了163下02c綜放孤島工作面回采期間沖擊地壓防治，安全回采了高沖擊危險(xiǎn)工作面，最大限度的回收了資源，為進(jìn)一步分析研究特殊工作面沖擊地壓防治，提供了成功的經(jīng)驗(yàn)。

應(yīng)力集中；孤島；沖擊地壓；微震監(jiān)測

0　引言

近幾年，沖擊地壓事故頻發(fā)，僅山東地區(qū)就發(fā)生多起沖擊地壓事故，造成了人員傷亡及重大經(jīng)濟(jì)損失。由于沖擊地壓災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)難、治理難，目前仍是世界性難題，而各個(gè)礦井條件不同，沖擊地壓發(fā)生的規(guī)律亦有不同，濟(jì)三礦163下02c工作面由于地質(zhì)條件特殊且為孤島工作面，被省列為A級沖擊地壓隱患，現(xiàn)根據(jù)濟(jì)三礦163下02c工作面沖擊地壓防治所做的工作，總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)及規(guī)律，為沖擊地壓的防治提供了有效的技術(shù)支撐。

1　工作面概況

地質(zhì)情況及頂?shù)装鍘r性分析。163下02C工作面為3下煤層孤島工作面，位于十六采區(qū)中部，地面標(biāo)高+33.11～+33.68m，平均+33.68m，工作面面長135.5m，推進(jìn)長度742.4m。東部為163下02采空區(qū)，西部為163下03采空區(qū)，工作面隔離煤柱均為3.0m。163下02c工作面井下標(biāo)高－652.4～－632.2m，平均標(biāo)高－642.3m，該煤層為山西組3下煤，厚度0.7～6.4m，平均3.3m。煤層傾角0～6°，平均3°。

163下02C工作面的老頂為中砂巖及細(xì)砂巖，厚度為4.94～26.4m，平均厚度19.6m，泥硅質(zhì)膠結(jié)，厚層狀、較致密堅(jiān)硬，f=8～10。直接頂為粉砂巖及粉細(xì)砂巖互層，厚度為0～16.75，較致密、堅(jiān)硬，f=4～6。直接底為鋁質(zhì)泥巖，厚度為0.62～4.0，平均厚度2.0，遇水易膨脹，f=4～6。老底為粉細(xì)砂巖互層，粉細(xì)砂巖互層厚度為4.2～12.9m，平均厚度為9m，致密堅(jiān)硬，含黃鐵礦結(jié)核，f=6～8（圖1）。

2　生產(chǎn)技術(shù)條件

生產(chǎn)技術(shù)條件。163下02c工作面采用走向長壁綜采采煤方法。工作面推進(jìn)長度為742.4m，工作面面長135.5m，采高2.8±0.2m，工作面布置液壓支架92組，機(jī)頭布置排頭支架3組，機(jī)尾布置4組。工作面中間液壓支架為ZFS6200/18/35型；上下端頭為ZTF6500/19/32型放頂煤排頭支架。兩順槽超前支護(hù)方式采用順槽支架支護(hù)，膠順選用ZT24500/18/35型支架，輔順選用ZT107000/22/38型支架。

3　沖擊地壓危險(xiǎn)性評價(jià)分析

3.1所采煤層煤巖物理力學(xué)特性

根據(jù)3下煤及圍巖沖擊傾向性測定結(jié)果，3下煤單向抗壓強(qiáng)度15.99MPa、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間54.82ms、沖擊能指數(shù)4.93、彈性能指數(shù)4.67。沖擊傾向性為：弱沖擊傾向。在一定的煤層賦存條件、地質(zhì)條件、開采條件、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)。

3.2應(yīng)驗(yàn)類比法分析

（1）163下02c工作面標(biāo)高為－652.4～－632.2m，平均標(biāo)高－642.3m，埋深相對較大，地應(yīng)力集中程度較高，相鄰的六采區(qū)同等標(biāo)高情況下曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過強(qiáng)烈的沖擊事故并造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

（2）煤層老頂為中砂巖及細(xì)砂巖，厚度為4.94～26.4m，f=8-10，存在厚層堅(jiān)硬頂板，地質(zhì)條件相對復(fù)雜，工作面回采受多條斷層影響，斷層附近存在構(gòu)造應(yīng)力。

（3）工作面煤層厚度為0.7～6.4m，煤層厚度大及厚度變化較大，頂板垮落高度較大，掘進(jìn)期間經(jīng)鉆屑法監(jiān)測，多處煤粉超標(biāo)并存在較強(qiáng)的動(dòng)力現(xiàn)象，增大了沖擊危險(xiǎn)。

（4）根據(jù)類比其它采區(qū)3下工作面的沖擊地壓顯現(xiàn)情況及3下煤層其它工作面回采期間的沖擊地壓監(jiān)測情況分析，以及依據(jù)3下煤及圍巖沖擊傾向性及各種沖擊因素分析，確定此工作面回采期間危險(xiǎn)等級為中等偏強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。

3.3沖擊危險(xiǎn)指數(shù)法分析

163下02c工作面為孤島工作面，根據(jù)163下02C工作面地質(zhì)資料及開采技術(shù)條件，參照數(shù)值模擬結(jié)果及圍巖運(yùn)移規(guī)律分析，采用綜合指數(shù)法評定其沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)。通過綜合比較分析，認(rèn)為163下02C工作面沖擊礦壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級評定為中等沖擊危險(xiǎn)性（偏強(qiáng)），沖擊危險(xiǎn)指數(shù)，其中，地質(zhì)因素影響和開采技術(shù)因素影響并重，工作面開采深度及周圍的采空區(qū)及分布的斷層起主要影響作用。

4　工作面開采前超前預(yù)處理及回采期間的防沖治理措施

4.1切頂爆破卸壓

為了預(yù)防沖擊地壓危害，實(shí)現(xiàn)安全回采，在工作面回采前主要采取了切頂爆破措施，兩順槽自煤壁前方20m至停采線以外20m施工切頂爆破，巷道長度782.4m，孔深13m，孔間距3.5m，孔內(nèi)裝藥長度6～8m，共施工340個(gè)（膠順146個(gè)，輔順194個(gè)，膠順架棚段及輔順頂板破碎段未施工）頂板爆破孔。

4.2大直徑卸壓鉆孔卸壓

回采前，163下02原輔順距煤壁80處向南兩幫施工大直徑卸壓鉆孔，卸壓鉆孔孔徑110mm，孔深20米，間距5m，由于該區(qū)域卸壓鉆孔施工至聯(lián)絡(luò)巷附近應(yīng)力集中，多處鉆孔打鉆時(shí)卡鉆、吸鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，煤粉量超標(biāo)嚴(yán)重，其中一處鉆孔施工17m時(shí)排出煤粉超過兩礦車，由于卸壓鉆孔施工難度太大，施工29組后停止施工。

4.3煤體爆破卸壓

回采前，由于163下02原輔順卸壓鉆孔施工難度太大，改用煤幫爆破卸壓。自煤壁20m處至停采線以外20m區(qū)域全部采用幫部爆破卸壓，孔深10m，孔間距5m，裝藥長度4m，兩幫共施工280個(gè)幫部爆破孔。

4.4直讀式鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測

為了能夠讓現(xiàn)場作業(yè)人員直觀看到工作面回采時(shí)煤體內(nèi)部應(yīng)力變化情況，在輔順距煤壁40m處每間隔40m安裝一組孔深5m、7m、9m的直讀式鉆孔應(yīng)力計(jì)，輔順共安裝17組；膠順距煤壁40m處每間隔30m安裝一組孔深5m、7m、9m的直讀式鉆孔應(yīng)力計(jì)，膠順共安裝21組。根據(jù)膠順第一組應(yīng)力計(jì)與輔順第二組應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，距離煤壁15m范圍是高應(yīng)力集中區(qū)，深度為5m的應(yīng)力數(shù)值達(dá)到38MPa，對于高應(yīng)力集中區(qū)，采取了煤層卸壓爆破處理，危險(xiǎn)解除后，工作面安全推過危險(xiǎn)區(qū)域。

表1　膠順第一組應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)表

4.5CT層析成像反演應(yīng)力

在掘進(jìn)已經(jīng)完成并確定覺有高沖擊危險(xiǎn)工作面回采前，通過井下地震勘探CT層析成像反演技術(shù)，在井下兩順槽分別、工作面布置設(shè)計(jì)好的檢波器，同時(shí)合理布置炮點(diǎn)放炮監(jiān)測。為了能對工作面內(nèi)礦井壓力的分布狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)和全面的探測，特設(shè)計(jì)如圖1所示的測點(diǎn)布置圖。圖中，針對163下02C原輔順巷道（中間巷道）和切眼布置炮點(diǎn)，炮點(diǎn)間距為16m，炮點(diǎn)數(shù)共105個(gè)；在輔順巷道和膠順巷道中布置接收點(diǎn)，每條巷道中布置的接收點(diǎn)為96個(gè)，共192個(gè)，道間距設(shè)定為8m。通過CT層析技術(shù)，反演出應(yīng)力云圖，對工作面全部區(qū)域應(yīng)力分布情況進(jìn)行劃分，并采區(qū)針對性卸壓爆破措施。

4.6全巷道鉆屑法監(jiān)測

工作面回采前，對兩順槽采用普通鉆屑法對兩順槽靜態(tài)情況下的沖擊危險(xiǎn)程度進(jìn)行全面普查，監(jiān)測孔孔深10m、間距40m，輔順共施工監(jiān)測孔19組，停采線北200米范圍出現(xiàn)卡鉆吸鉆的6組，鉆屑量超標(biāo)的3組；膠順共施工監(jiān)測孔18組，均正常，對于出現(xiàn)指標(biāo)異常的區(qū)域，及時(shí)采取了煤層爆破卸壓處理，直至危險(xiǎn)解除?；夭善陂g，工作面每推進(jìn)30m進(jìn)行監(jiān)測一次，一次施工3個(gè)鉆屑孔，如果遇到直讀式鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測數(shù)值超高及微震系統(tǒng)能量異常時(shí)，及時(shí)采取鉆屑法進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)指標(biāo)異常，及時(shí)采取煤體爆破卸壓措施。

4.7利用微震監(jiān)測系統(tǒng)對特殊高應(yīng)力區(qū)監(jiān)測

為動(dòng)態(tài)監(jiān)測全礦井下頂板活動(dòng)及沖擊地壓情況，按照中國礦大竇林名教授的設(shè)計(jì)要求，引進(jìn)的波蘭SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)正在進(jìn)行安裝調(diào)試，設(shè)計(jì)安裝16個(gè)拾震器，其中井下14個(gè)，地面2個(gè)。目前已經(jīng)完成井下8個(gè)拾振器、地面1個(gè)拾振器的安裝調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)對十六、十八采區(qū)頂板活動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測。工作面回采期間，利用微震監(jiān)測系統(tǒng)，針對工作面斷層附近200m范圍重點(diǎn)監(jiān)測分析，6月5日前能量比較均勻基本位于20000J，6月5日震動(dòng)能量突然消失接近為零，而現(xiàn)場工作面支架壓力普遍達(dá)到30MPa，因此可以得到高應(yīng)力未得到釋放而產(chǎn)生了應(yīng)力集聚，7日能量直接突破157000J，現(xiàn)場及時(shí)采取了煤體爆破卸壓并做好站崗警戒措施，直至9日能量下降至62000J，危險(xiǎn)基本解除。

5　結(jié)論及建議

（1）此工作面為孤島工作面，受斷層地質(zhì)條件及頂?shù)装鍘r性影響，沖擊危險(xiǎn)等級中等偏高，針對此工作面采用了切頂爆破卸壓、煤體爆破卸壓、大直徑卸壓鉆孔、直讀式鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測、CT層析成像反演應(yīng)力、鉆屑法、微震系統(tǒng)法檢測監(jiān)測及治理手段相結(jié)合，工作面得到安全回采，避免了沖擊事故發(fā)生。（2）受孤島工作面采空區(qū)的影響，高位巖層活動(dòng)程度較大，老頂運(yùn)動(dòng)時(shí)礦壓顯現(xiàn)及來壓強(qiáng)度較強(qiáng)，增大了沖擊危險(xiǎn)，根據(jù)“強(qiáng)弱強(qiáng)”原理，加強(qiáng)工作面及兩順槽支護(hù)質(zhì)量管理，加大了兩順槽超強(qiáng)支護(hù)距離（超前支護(hù)距離達(dá)120米）。（3）采用大直徑卸壓鉆孔施工至高應(yīng)力區(qū)時(shí)，由于吸鉆、卡鉆動(dòng)力現(xiàn)象十分明顯，無法進(jìn)行施工及時(shí)采取小直徑鉆孔卸壓爆破措施，達(dá)到施工大直徑鉆孔的卸壓效果。（4）微震監(jiān)測系統(tǒng)對高應(yīng)力去重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)區(qū)域能量變化總結(jié)出沖擊預(yù)警規(guī)律，為沖擊地壓監(jiān)測提供了可靠的技術(shù)方案。（5）利用直讀式應(yīng)力計(jì)監(jiān)測法、微震系統(tǒng)監(jiān)測法監(jiān)測到異常情況時(shí)，及時(shí)采取鉆屑法進(jìn)行驗(yàn)證，監(jiān)測有充沖擊危險(xiǎn)時(shí)，工作面立即停止生產(chǎn)，并進(jìn)行煤體爆破卸壓處理，解危處理完畢后，工作面才能生產(chǎn)。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.122

吳東旭（1980-），男，山東魚臺(tái)人，本科，助理工程師。