高應(yīng)力區(qū)巷道掘進(jìn)礦壓綜合防治方法探究與實(shí)踐

徐元強(qiáng)，吳學(xué)松

(華亭煤業(yè)集團(tuán) 硯北煤礦，甘肅 平?jīng)?744100)

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高應(yīng)力區(qū)巷道掘進(jìn)礦壓綜合防治方法探究與實(shí)踐

徐元強(qiáng)，吳學(xué)松

(華亭煤業(yè)集團(tuán) 硯北煤礦，甘肅 平?jīng)?744100)

針對(duì)高應(yīng)力區(qū)巷道掘進(jìn)困難、易發(fā)生沖擊礦壓的難題，運(yùn)用FLAC3D對(duì)巷道掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力演變進(jìn)行模擬，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造實(shí)際，分析了沖擊礦壓發(fā)生的原因，從技術(shù)與管理兩個(gè)層面入手，提出了以立體、多方位、長(zhǎng)短孔差異爆破綜合卸壓方案和《掘進(jìn)工作面礦壓安全管理“十禁令”安全管理辦法》為核心的高應(yīng)力區(qū)巷道掘進(jìn)礦壓綜合防治方法，并進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，該方法提高了掘進(jìn)工效，極大地降低了沖擊礦壓次數(shù)，有效控制了沖擊礦壓的破壞程度，實(shí)現(xiàn)了工作面安全掘進(jìn)。

高應(yīng)力區(qū)；巷道掘進(jìn)；沖擊礦壓；礦壓防治；安全管理

Explore and Practical of Pressure Integrated Prevention During Roadway Driving in High Stress Area

沖擊礦壓是礦井生產(chǎn)過(guò)程中遇到的一種動(dòng)壓現(xiàn)象，近年來(lái)隨著開采深度的增大，這種現(xiàn)象越來(lái)越突出。高應(yīng)力區(qū)巷道掘進(jìn)時(shí)易發(fā)生沖擊礦壓，造成巷道頂沉底鼓、軌道翻轉(zhuǎn)、錨索錨桿斷裂等破壞，給生產(chǎn)和人員安全造成重大威脅[1]。

硯北煤礦250202工作面掘進(jìn)時(shí)，巷道壓力大，煤爆聲頻繁，掘進(jìn)工作困難。為保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析了沖擊礦壓發(fā)生的原因，設(shè)計(jì)了綜合卸壓方案，采用FLAC3D對(duì)卸壓效果進(jìn)行模擬，同時(shí)制定了有效的安全管理方法，并進(jìn)行礦壓防治實(shí)踐，取得了良好的效果。

1　沖擊礦壓原因分析

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，發(fā)生沖擊礦壓的原因是多方面的，硯北煤礦沖擊礦壓可以歸類為“震-沖”型沖擊礦壓，主要特征表現(xiàn)為井下發(fā)生破壞的同時(shí)伴隨有高能量震動(dòng)[2-3]。震源點(diǎn)和高應(yīng)力集中區(qū)域是沖擊礦壓發(fā)生的必要條件，高能量震動(dòng)為誘發(fā)因素，破壞區(qū)為高應(yīng)力集中區(qū)。震源點(diǎn)與破壞區(qū)域并不完全重合，發(fā)生沖擊礦壓的區(qū)域必須是震動(dòng)點(diǎn)影響區(qū)和高應(yīng)力區(qū)的疊加區(qū)域，二者均受工作面掘進(jìn)擾動(dòng)的影響。震源點(diǎn)位置取決于煤巖層的斷裂，發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、機(jī)率均不確定，隨機(jī)性較強(qiáng)，而掘進(jìn)過(guò)程中高應(yīng)力集中區(qū)域分布范圍具有明顯的規(guī)律性，為礦壓防治技術(shù)實(shí)施提供了可能性[4]。

硯北煤礦250202運(yùn)輸巷區(qū)域構(gòu)造較為復(fù)雜，褶皺構(gòu)造發(fā)育。開口處位于背斜軸東翼，切眼處橫穿向斜軸，且沿走向次級(jí)褶曲發(fā)育，造成底板起伏不平，巷道呈波狀起伏。在向、背斜構(gòu)造區(qū)域，巷道掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力集中，壓力較大[5]，并且巷道采用綜掘方式掘進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)割煤過(guò)程中應(yīng)力擾動(dòng)影響大，造成掘進(jìn)迎頭附近應(yīng)力疊加，能量集聚，形成沖擊地壓發(fā)生的能量條件。巷道開掘后，由于煤層傾角原因，左幫煤巖層向下滑動(dòng)斷裂，產(chǎn)生微震震動(dòng)，形成沖擊礦壓的誘發(fā)源，這與SOS微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有很高的吻合性(見圖1)。根據(jù)上述分析可知，250202運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中沖擊礦壓發(fā)生的兩個(gè)條件均具備，因此，此區(qū)域?yàn)闆_擊礦壓易發(fā)區(qū)，必須采取有效的礦壓防治辦法才能保證巷道安全掘進(jìn)。

圖1　250202運(yùn)輸巷掘進(jìn)某日微震震動(dòng)分布

2　礦壓防治技術(shù)

通過(guò)硯北煤礦多年的防治實(shí)踐，爆破卸壓在硯北煤礦掘進(jìn)工作面具有良好的適用性。爆破卸壓可根據(jù)施工位置、鉆孔深度的不同分為煤體爆破卸壓、頂板深孔爆破卸壓、底板深孔爆破卸壓、掘進(jìn)迎頭深孔爆破卸壓等類型。爆破卸壓具有適應(yīng)性強(qiáng)、易操作的優(yōu)點(diǎn)[6-7]。爆破卸壓的主要作用有[8]：一是降低煤巖體的強(qiáng)度和沖擊傾向性，從而降低沖擊礦壓危險(xiǎn)性；二是爆破卸壓后迫使應(yīng)力高峰區(qū)向巖體深部轉(zhuǎn)移；三是降低應(yīng)力集中程度，減弱沖擊礦壓的強(qiáng)度。

2.1卸壓方案設(shè)計(jì)

卸壓方案設(shè)計(jì)要充分考慮掘進(jìn)迎頭應(yīng)力集中區(qū)的分布及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)特點(diǎn)，主要有以下3點(diǎn)：

(1)綜合防治原則掘進(jìn)迎頭應(yīng)力集中區(qū)呈空間分布，并不在一個(gè)平面上，單一的爆破卸壓方法不能消除不同方位的應(yīng)力集中區(qū)，卸壓效果與預(yù)期相差甚遠(yuǎn)，甚至由于卸壓方案不當(dāng)，導(dǎo)致新的不可預(yù)知的應(yīng)力集中區(qū)的出現(xiàn)，給安全生產(chǎn)埋下隱患。

(2)保護(hù)區(qū)設(shè)置根據(jù)聲學(xué)近似法，爆炸破碎區(qū)半徑計(jì)算公式為：

(1)

式中，rp為破碎區(qū)半徑，m；rb為裝藥半徑，m；μ為側(cè)壓力系數(shù)；P為爆腔巖壁初始?jí)毫Γ琍a；Rt為巖石抗拉強(qiáng)度，Pa；ρ0為炸藥密度，kg/m3；ρm為巖石初始密度，kg/m3；D為炸藥爆轟速度，m/s；Cp為巖石縱波波速，m/s；γ為巖石泊松比；α為壓縮波衰減指數(shù)。

爆破裂隙區(qū)半徑r的計(jì)算公式為

r=krp

(2)

式中，k為破碎區(qū)增大系數(shù)，采用不耦合裝藥，取k為1.67。

公式(1)中的相關(guān)參數(shù)取值見表1。經(jīng)計(jì)算可得出爆破裂隙區(qū)半徑r=4.15m。為防止破壞頂幫支護(hù)，應(yīng)留有2m以上的保護(hù)區(qū)。

表1　破碎區(qū)計(jì)算參數(shù)取值

(3)鉆孔長(zhǎng)度與藥量方案設(shè)計(jì)要充分考慮施工可行性，鉆孔深度過(guò)大，不但會(huì)造成卸壓效果不理想，又會(huì)造成裝藥困難。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，鉆孔深度為10～30m，裝藥量不超過(guò)24kg，可達(dá)到安全高效卸壓效果。

因此，250202運(yùn)輸巷區(qū)域卸壓設(shè)計(jì)采用立體、多方位、長(zhǎng)短孔差異爆破卸壓方案。綜合運(yùn)用煤體爆破卸壓、頂板深孔爆破卸壓、底板深孔爆破卸壓、掘進(jìn)迎頭深孔爆破卸壓等方法進(jìn)行卸壓。爆破卸壓方案設(shè)計(jì)的參數(shù)見表2和圖2。具體施工可根據(jù)工作面實(shí)際情況與掘進(jìn)速度采用每天防治或隔天防治。

表2　卸壓鉆孔參數(shù)

圖2　卸壓方案設(shè)計(jì)示意

2.2卸壓效果模擬分析

為了掌握卸壓方案的預(yù)期效果，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，分析卸壓前后應(yīng)力分布特點(diǎn)。卸壓后有效卸壓范圍內(nèi)的煤巖體強(qiáng)度設(shè)置為原有的1/10，并在卸壓區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)比分析卸壓前后應(yīng)力值的變化趨勢(shì)(見圖3)。從圖3中可以看出，卸壓措施實(shí)施后，工作面附近四周煤巖體應(yīng)力值均出現(xiàn)降低，工作面迎頭深孔和兩幫煤體卸壓效果最為顯著(圖3(a)，(b))，應(yīng)力高峰區(qū)明顯向煤巖體深部轉(zhuǎn)移，有效破壞了沖擊礦壓發(fā)生條件，保證了作業(yè)空間的安全。

圖3　卸壓前后應(yīng)力值變化

3　礦壓安全管理

在多年礦壓防治實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，沖擊礦壓可防、可控、可治，但是難以根除。當(dāng)卸壓技術(shù)達(dá)到一定水平后，安全管理越來(lái)越重要。沖擊礦壓的治理應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持技術(shù)與管理并重，才能真正實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。針對(duì)掘進(jìn)工作面礦壓危險(xiǎn)區(qū)域人員作業(yè)安全、設(shè)備材料管理等問(wèn)題，硯北煤礦制定了《掘進(jìn)工作面礦壓安全管理“十禁令”管理辦法》，分別從人員防護(hù)、“三限”管理、安全監(jiān)管等方面規(guī)范作業(yè)流程，保證作業(yè)安全。具體細(xì)則為：個(gè)體防護(hù)不到位嚴(yán)禁作業(yè)；現(xiàn)場(chǎng)無(wú)跟班隊(duì)長(zhǎng)嚴(yán)禁作業(yè)；未執(zhí)行敲幫問(wèn)頂嚴(yán)禁作業(yè)；限位管理不落實(shí)嚴(yán)禁作業(yè)；安全空間不足時(shí)嚴(yán)禁作業(yè)；掘進(jìn)迎頭人數(shù)超員時(shí)嚴(yán)禁作業(yè)；頂板支護(hù)不可靠嚴(yán)禁作業(yè)；預(yù)警或設(shè)備運(yùn)行時(shí)嚴(yán)禁作業(yè)；爆破后半小時(shí)內(nèi)嚴(yán)禁作業(yè)；警戒設(shè)置不到位嚴(yán)禁作業(yè)。

4　實(shí)施效果

將制定的卸壓方案和《掘進(jìn)工作面礦壓安全管理“十禁令”管理辦法》在250202掘進(jìn)工作面實(shí)踐應(yīng)用，取得了良好的效果。工作面在掘進(jìn)時(shí)應(yīng)力集中程度明顯降低，掘進(jìn)工效由原來(lái)的每天不足1.6m提高到每天4m，提高了150%；沖擊礦壓次數(shù)明顯降低，由原來(lái)每月3～4次降低至每月不足1次；有效控制了沖擊礦壓的破壞程度，多次實(shí)現(xiàn)“有震動(dòng)無(wú)沖擊”；從巷道開掘至今未發(fā)生任何礦壓傷人事故，巷道掘進(jìn)礦壓綜合防治方法實(shí)現(xiàn)了工作面安全掘進(jìn)。

5　結(jié)　論

(1)高應(yīng)力區(qū)巷道掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)迎頭附近會(huì)在空間不同方位出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，易發(fā)生沖擊礦壓，威脅作業(yè)人員安全。

(2)巷道掘進(jìn)過(guò)程中，受掘進(jìn)擾動(dòng)影響，會(huì)出現(xiàn)高應(yīng)力儲(chǔ)能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛻?yīng)力能量釋放狀態(tài)的應(yīng)力降低區(qū)，此區(qū)域煤巖體易發(fā)生破裂，產(chǎn)生高能量震動(dòng)，形成沖擊礦壓誘發(fā)源。

(3)綜合采用煤體爆破卸壓、頂板深孔爆破卸壓、底板深孔爆破卸壓、迎頭深孔爆破卸壓等卸壓技術(shù)，設(shè)計(jì)的立體、多方位、長(zhǎng)短孔差異爆破卸壓方案具有良好卸壓效果，配合《掘進(jìn)工作面礦壓安全管理“十禁令”管理辦法》，可實(shí)現(xiàn)高應(yīng)力巷道安全掘進(jìn)。

[1]竇林名,何學(xué)秋.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2001.

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

2016-05-18

徐元強(qiáng)(1972-)，男，甘肅靈臺(tái)人，高級(jí)工程師，硯北煤礦礦長(zhǎng)，長(zhǎng)期從事煤炭科技管理及研究工作。

TD324.2

B

1006-6225(2016)05-0083-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.023

[引用格式]徐元強(qiáng)，吳學(xué)松.高應(yīng)力區(qū)巷道掘進(jìn)礦壓綜合防治方法探究與實(shí)踐[J].煤礦開采，2016，21(5)：83-85.