煤礦掘進(jìn)工作面沖擊地壓分區(qū)防治技術(shù)研究

趙聯(lián)振，趙聯(lián)文

（山東能源棗莊礦業(yè)集團(tuán)新安煤業(yè)公司，山東微山277642）

煤礦掘進(jìn)工作面沖擊地壓分區(qū)防治技術(shù)研究

趙聯(lián)振，趙聯(lián)文

（山東能源棗莊礦業(yè)集團(tuán)新安煤業(yè)公司，山東微山277642）

針對(duì)在煤礦深部開(kāi)采時(shí)出現(xiàn)的沖擊地壓災(zāi)害，以某礦掘進(jìn)工作面為背景，研究沖擊地壓的防治措施。通過(guò)對(duì)工作面危險(xiǎn)區(qū)域分級(jí)劃分，對(duì)不同危險(xiǎn)區(qū)域制定針對(duì)性的防治措施，重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)高沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的監(jiān)測(cè)。利用電磁輻射儀、鉆屑法和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)采取措施避免沖擊地壓。實(shí)踐表明，煤礦掘進(jìn)工作面采用沖擊地壓分區(qū)防治技術(shù)，成功消除多次沖擊地壓災(zāi)害，保證了掘進(jìn)工作面的正常施工。

沖擊地壓；深部開(kāi)采；沖擊傾向性；危險(xiǎn)區(qū)域劃分

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.090

1 引言

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度逐漸增大，深部開(kāi)采帶來(lái)的沖擊地壓?jiǎn)栴}，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成威脅，其中高沖擊危險(xiǎn)區(qū)域防治更是焦點(diǎn)問(wèn)題[1]。為此，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)沖擊地壓展開(kāi)更加深入的研究。姜福興提出了沖擊地壓防治關(guān)鍵理論；朱學(xué)軍探討了離層注漿技術(shù)在沖擊危險(xiǎn)礦井中的作用效果[2]；李偉結(jié)合南屯煤礦生產(chǎn)實(shí)際，提出了適合沖擊地壓防治的安全開(kāi)采體系[3]。為保證煤礦在高沖擊危險(xiǎn)情況下安全生產(chǎn)，以某礦109掘進(jìn)工作面沖擊地壓防治工作為背景，提出以沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行區(qū)域劃分，分別對(duì)各區(qū)域進(jìn)行防沖的方案。對(duì)高危險(xiǎn)區(qū)域采用實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)采用大直徑鉆孔卸壓和深孔爆破解除危險(xiǎn)。

2 工程概況

山東能源棗礦集團(tuán)某礦采用立井開(kāi)拓方式，綜合機(jī)械化分層開(kāi)采。首采區(qū)3下煤層平均厚度6.2m，開(kāi)采深度-800～-1200m。3下煤層煤質(zhì)較脆，上覆巖層中存在特厚礫巖。此外，在臨近107工作面回采過(guò)程中已經(jīng)監(jiān)測(cè)到該巖層活動(dòng)的微震事件。

3 工作面沖擊礦壓危險(xiǎn)分析

3.1 影響沖擊地壓的客觀條件

因?yàn)閷?dǎo)致沖擊地壓的一個(gè)重要因素就是原巖應(yīng)力，而通常情況下采深越大原巖應(yīng)力也會(huì)隨著增大。某礦該工作面開(kāi)采深度在950m左右，根據(jù)中國(guó)煤炭開(kāi)拓系統(tǒng)一書(shū)按開(kāi)采深度對(duì)礦井的分類可知，礦井屬于深部開(kāi)采。3下煤層的煤質(zhì)較脆，煤層容易積聚大量的彈性應(yīng)變能，在遇到巷道開(kāi)挖或者采場(chǎng)支護(hù)較差情況下極易釋放，造成沖擊地壓。3下煤層上方90m左右位置有特厚堅(jiān)硬礫巖，該礫巖積聚的彈性應(yīng)變能在巷道掘進(jìn)時(shí)極易突然釋放，造成巖爆。巷道在向北掘進(jìn)約460m處將揭露崔莊背斜軸部，軸部區(qū)域煤層厚度有所變小，當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力與采動(dòng)應(yīng)力疊加時(shí)易引發(fā)沖擊地壓。工作面布置方式和采煤順序也會(huì)影響采場(chǎng)周圍受力情況。該工作面受到臨近107工作面影響，使沖擊地壓的危險(xiǎn)性增加。

3.2 煤巖層沖擊傾向性分析

沖擊傾向性分析能更好地判斷沖擊地壓發(fā)生的可能性。通過(guò)對(duì)工作面進(jìn)行沖擊傾向指數(shù)測(cè)定，測(cè)得3下煤層沖擊能量指數(shù)平均值為5.31，煤層彈性能量指數(shù)平均值為5.16，煤層復(fù)合頂板彎曲能量指數(shù)為198.65kJ。結(jié)合表1進(jìn)行煤巖層沖擊傾向性分析，根據(jù)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行沖擊傾向性分類，判斷3下煤層和頂板均屬于3類，為具有強(qiáng)沖擊傾向性的的頂板巖層。

表1 沖擊傾向性分類評(píng)定表

4 掘進(jìn)工作面危險(xiǎn)區(qū)劃分及其分級(jí)

109 掘進(jìn)工作面處于向斜、背斜的控制之中，掘進(jìn)范圍內(nèi)存在2種斷裂方向不同的斷層，向斜、背斜局部被斷層切割，因此在整個(gè)掘進(jìn)期間都處于沖擊地壓發(fā)生危險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)綜合因素分析，109工作面危險(xiǎn)區(qū)劃分及其分級(jí)如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)示意圖

綜合對(duì)順槽及開(kāi)切眼沖擊危險(xiǎn)區(qū)的受力分析，并根據(jù)其他工作面開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，可知工作面的運(yùn)輸順槽、軌道順槽和切眼在掘進(jìn)期間有沖擊危險(xiǎn)。結(jié)合圖1可知，其中軌道順槽4號(hào)位置為沖擊地壓高度危險(xiǎn)區(qū)，軌道順槽1號(hào)和2號(hào)位置為中度危險(xiǎn)區(qū)，軌道順槽3號(hào)、軌道順槽5號(hào)、開(kāi)切眼和運(yùn)輸順槽位置為一般危險(xiǎn)區(qū)。

5 沖擊地壓防治措施

某礦根據(jù)3下109掘進(jìn)工作面具體情況，在該工作面配備移動(dòng)式電磁輻射儀、超前檢測(cè)鉆孔施工器械、大直徑鉆孔卸壓鉆機(jī)以及沖擊地壓實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等防沖設(shè)備。

圖2 掘進(jìn)迎頭電磁輻射儀布置示意圖

其中，電磁輻射儀為人工攜帶式便攜儀，起到超前預(yù)測(cè)的作用。該儀器由防沖人員負(fù)責(zé)每天對(duì)掘進(jìn)工作面后方100m范圍內(nèi)的巷道兩幫監(jiān)測(cè)一遍，每10m一個(gè)測(cè)點(diǎn)，迎頭左右?guī)颓胺胶拖锏乐虚g各1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)23個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。根據(jù)電磁輻射儀檢測(cè)情況，如檢測(cè)到?jīng)_擊危險(xiǎn)區(qū)，可使用鉆屑法可快速有效地檢驗(yàn)爆破卸壓效果。

5.1 一般和中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域防沖措施

一般和中等沖擊危險(xiǎn)掘進(jìn)工作面防沖措施的基本程序是先進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警或煤粉鉆檢驗(yàn)，如果監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊地壓，要及時(shí)進(jìn)行卸壓，待檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行正常施工。

掘進(jìn)工作面防沖的具體措施是在掘進(jìn)工作面迎頭打卸壓鉆孔，每次施工2個(gè)孔，鉆孔中心距巷道底板不小于0.5m，孔距1.0m。工作面卸壓鉆孔必須保證超前卸壓深度不小于20m，鉆孔直徑不小于110mm，保護(hù)帶不小于10m。卸壓鉆孔的方向要平行于層面，垂直于煤壁。

5.2 高度沖擊危險(xiǎn)區(qū)域防沖措施

掘進(jìn)工作面通過(guò)高沖擊危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，常規(guī)方法不能有效解危。某礦高度沖擊危險(xiǎn)掘進(jìn)工作面采用無(wú)線沖擊危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，具體采用的是北京科技大學(xué)研發(fā)的KJ615掘進(jìn)工作面沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。隨后進(jìn)行井下煤粉鉆抽樣檢驗(yàn)，一旦發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)后及時(shí)進(jìn)行卸壓處理。

5.2.1 掘進(jìn)工作面防沖措施

1）大直徑鉆孔卸壓如圖3所示，在掘進(jìn)工作面，每次施工3個(gè)卸壓鉆孔，鉆孔布置在距巷道底板1.2m的位置，孔距1.0m，鉆孔直徑為110mm。

圖3 大直徑鉆孔巷道斷面布置示意圖

2）工作面打卸壓鉆孔時(shí)，如果卸壓鉆孔無(wú)法打進(jìn)，則實(shí)施誘發(fā)爆破卸壓，待壓力穩(wěn)定后再繼續(xù)施工。

5.2.2 卸壓爆破

對(duì)于監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊地壓危險(xiǎn)高的地段，主要采取卸壓爆破的方法進(jìn)行解危，避免沖擊地壓對(duì)設(shè)備、人員等造成傷害。炮眼施工采用MQJ—120/2.8 S架柱式氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)打孔。炮眼距底板1.2～1.8m，間距5m，直徑為φ42mm，深度設(shè)置為9m，水平方向垂直煤壁，垂直方向與煤層坡度一致。起爆時(shí)采用FMB—200型發(fā)爆器起爆，煤壁爆破鉆孔裝藥如圖4所示。

圖4 煤壁爆破鉆孔裝藥示意圖

6 防沖效果分析

隨著掘進(jìn)頭的推進(jìn)，當(dāng)掘進(jìn)工作面累計(jì)進(jìn)尺大于100m時(shí)，工作面伴有聲響，有少量煤巖體拋出。通過(guò)沖擊地壓實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)附近測(cè)點(diǎn)應(yīng)力異常，最高值達(dá)到10.5MPa，沖擊地壓危險(xiǎn)性達(dá)到黃色預(yù)警，隨后采取了大直徑深孔卸壓方法，應(yīng)力值維持在8MPa左右，成功解除應(yīng)力集中。再利用鉆屑法檢驗(yàn)卸壓效果，其中鉆屑法鉆孔直徑42mm，孔深10m，施工后及時(shí)將檢測(cè)結(jié)果報(bào)防沖辦。在掘進(jìn)過(guò)程中，沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)工作面圍巖應(yīng)力變化情況的連續(xù)監(jiān)測(cè)，成功預(yù)警并解除了多次沖擊地壓威脅。

7 結(jié)論

結(jié)合某礦109掘進(jìn)工作面實(shí)際情況，提出了對(duì)掘進(jìn)工作面沖擊地壓區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，并根據(jù)危險(xiǎn)程度的不同分別采取不同的防沖措施，形成煤礦沖擊地壓分區(qū)防治技術(shù)體系。

1）一般和中等沖擊危險(xiǎn)掘進(jìn)工作面防沖措施的基本程序是先進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警或煤粉鉆檢驗(yàn)，如果監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊地壓，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)卸壓，消除安全隱患。

2）尤其對(duì)于高度危險(xiǎn)區(qū)域采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，并及時(shí)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)采取合理的卸壓及支護(hù)措施。對(duì)于監(jiān)測(cè)到的沖擊地壓危險(xiǎn)高的地段，主要采取大直徑鉆孔卸壓和卸壓爆破的方法對(duì)沖擊地壓解危。

3）沖擊地壓分區(qū)防治技術(shù)能有效避免可能發(fā)生的沖擊地壓災(zāi)害，獲得了顯著的監(jiān)測(cè)效果，為該礦以后沖擊地壓防治積累了經(jīng)驗(yàn)，取得的防沖研究成果對(duì)其他礦區(qū)也具有實(shí)用價(jià)值。

【1】謝和平，王金華，申寶宏，等.煤炭開(kāi)采新理念——科學(xué)開(kāi)采與科學(xué)產(chǎn)能[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012,37(7):1069-1079.

【2】朱學(xué)軍,魏中舉,趙鐵鵬.離層注漿技術(shù)在沖擊地壓防治中的應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè),2011(11):67-70.

【3】李偉，南屯煤礦沖擊地壓防治技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008, 36(4):39-42+46.

Research on Division and Prevention of Pressure Bumping in Mine Roadway Heading Faces

ZHAO Lian-zhen,ZHAO Lian-wen
(Xin'an Coal Co.Ltd.of Shandong Energy Zaozhuang Mining Group,Weishan 277642,China)

For the disasters of pressure bumping in the deep mining,the paper studies pressure bumping control technology based on mine roadway heading faces in a coal mine.Through division of dangerous areas in the working face,we put forward targeted control measures for different dangerous areas.The monitoring work to the area of high danger should be specially strengthened.Electromagnetic radiation,drilling cuttings and the real-timemonitoring system are applied to monitor the working face,so measures will be timely taken to prevent pressure bumping.Practice shows that division control technology for pressure bumping of mine roadway heading faces could successfully eliminate the disasters of pressure bumping,and the normal construction of the excavation working face was guaranteed.

pressure bumping；deep mining；burst tendency；division of dangerous areas

TD324

A

1007-9467（2016）08-0165-02

2015-05-16

趙聯(lián)振（1985～)，男，山東棗莊人，從事煤礦深部開(kāi)采技術(shù)及安全管理與研究。