孤島工作面沖擊地壓監(jiān)測(cè)與防治技術(shù)

吳小斌

（山西焦煤西山煤電官地礦生產(chǎn)調(diào)度指揮中心，山西 太原 030022）

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，針對(duì)具體煤層條件對(duì)沖擊地壓發(fā)生的前兆信息進(jìn)行檢測(cè)，以檢測(cè)的信息對(duì)沖擊地壓發(fā)生的可能性做出準(zhǔn)確的判斷，這種監(jiān)測(cè)技術(shù)稱(chēng)為沖擊地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)[1-3]。相對(duì)準(zhǔn)確的沖擊地壓監(jiān)測(cè)對(duì)于局部性解危措施的實(shí)施十分重要。鉆屑法監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、頂板動(dòng)態(tài)和圍巖變形監(jiān)測(cè)是目前最主流的沖擊地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)，能實(shí)時(shí)地反應(yīng)出煤體和巷道的受力狀態(tài)，本文綜合運(yùn)用這些方法，為沖擊地壓的防治提供可靠的依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

西山煤電集團(tuán)有限公司官地礦井田南北長(zhǎng)約14967m，東西寬約12110m，井田面積為104.4974km2，共賦存01#、02#、03#、1#、2#、3#、5#、6#、7#、8上#、8#、9#、10#、11#等十四層煤，煤層總厚度20.09m，主要可采煤層為02#、2#、3#、5#、6#、7#、8上#、8#、9#煤，現(xiàn)開(kāi)采2#、3#、6#、8#、9#煤。截至2016年底，井田工業(yè)儲(chǔ)量為12.8775億t，可采儲(chǔ)量8.283億t。礦井本身并非沖擊地壓礦井，但是在開(kāi)采孤島工作面的時(shí)候，沖擊地壓顯現(xiàn)明顯，需要對(duì)此進(jìn)行研究。孤島工作面礦壓顯現(xiàn)一般較為強(qiáng)烈，較強(qiáng)的礦山壓力極易導(dǎo)致沖擊地壓。特別是對(duì)沖擊傾向性明顯的礦井，對(duì)孤島工作面沖擊地壓的監(jiān)測(cè)和防治，一方面可以充分開(kāi)采煤炭資源，另一方面可以加強(qiáng)對(duì)礦山壓力的研究。

2 沖擊地壓監(jiān)測(cè)方法

2.1 鉆屑法監(jiān)測(cè)

極限煤粉量，指的是當(dāng)煤體壓力達(dá)到臨界值也就是煤體壓力的極限值時(shí)所能產(chǎn)生的煤粉量的多少，可以作為發(fā)生沖擊地壓煤粉量的一個(gè)指標(biāo)。

工作地點(diǎn)是否有發(fā)生沖擊地壓的傾向性可以以鉆粉率指數(shù)來(lái)判斷，見(jiàn)表1所示。在表1中所列的鉆孔深度內(nèi)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的鉆粉率達(dá)到所規(guī)定的值時(shí)或者出現(xiàn)鉆桿卡死現(xiàn)象，可以判斷所測(cè)工作地點(diǎn)有發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)的可能性。

表1 判別工作地點(diǎn)沖擊地壓危險(xiǎn)性的鉆粉率指數(shù)

鉆屑法建議施工原則：對(duì)具有沖擊傾向性的工作面，以礦壓觀測(cè)為主，以不定時(shí)不定量鉆屑法抽查為輔；在一邊掘進(jìn)一邊鉆探的工作面如果具有煤柱和斷層要切實(shí)做好前部掘進(jìn)后部鉆屑法檢測(cè)工作，一旦檢測(cè)到危險(xiǎn)，及時(shí)采取措施；在有沖擊地壓危險(xiǎn)類(lèi)型的工作面，及時(shí)做好鉆屑法檢測(cè)在掘進(jìn)和回采期間的工作。

2.2 頂板動(dòng)態(tài)和圍巖變形監(jiān)測(cè)

2.2.1 頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

在沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域和工作面超前應(yīng)力檢測(cè)時(shí)采用頂板動(dòng)態(tài)儀進(jìn)行檢測(cè)。

將頂板動(dòng)態(tài)儀放置在能發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)域和工作面超前區(qū)域，觀測(cè)該區(qū)域頂板變形情況，結(jié)合鉆屑法、應(yīng)力在線(xiàn)監(jiān)測(cè)等綜合監(jiān)測(cè)沖擊地壓危險(xiǎn)性。

2.2.2 圍巖變形監(jiān)測(cè)

采用十字布樁進(jìn)行工作面圍巖變形觀測(cè)。

3 沖擊地壓監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用

沖擊地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)在孤島工作面及掘進(jìn)工作面中的應(yīng)用應(yīng)根據(jù)孤島工作面的性質(zhì)決定（即“凸頂”的形狀大?。?，“凸頂”的形狀大小決定了孤島工作面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的布置方式，測(cè)站的布置又因掘進(jìn)面和回采面的不同而不同。

（1）鉆屑法監(jiān)測(cè)布置方案

工作面回采過(guò)程中的鉆屑法實(shí)施主要集中在兩回采順槽中。在順槽的煤壁側(cè)布置測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析每米煤粉量確定和分析應(yīng)力的大小和預(yù)計(jì)沖擊地壓危險(xiǎn)程度。監(jiān)測(cè)內(nèi)容：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度鉆孔的鉆屑量，國(guó)際單位kg，另外還需檢測(cè)并記錄卡鉆、孔內(nèi)沖擊等鉆孔動(dòng)力現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)范圍要覆蓋工作面的超前支承壓力影響區(qū)，一般為從工作面至前方至少60m的范圍。在孤島工作面的規(guī)則區(qū)域、不規(guī)則區(qū)域鉆屑法監(jiān)測(cè)布置方案如圖1所示。當(dāng)不規(guī)則區(qū)域形狀為三角形時(shí)，不規(guī)則區(qū)域兩條巷道的鉆孔密度均調(diào)整為3m，超前60m。當(dāng)不規(guī)則區(qū)域形狀為矩形時(shí)，不規(guī)則區(qū)域形狀變化側(cè)的巷道內(nèi)鉆孔密度調(diào)整為6m超前60m。

圖1 回采工作面鉆屑法監(jiān)測(cè)孔布置平面圖

（2）應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置方案

鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝參數(shù)：鉆孔Φ42mm，孔深6m，間距5～10m（視危險(xiǎn)程度而定），單排布置，鉆孔方向?yàn)樗酱怪毕飵停?jiàn)圖2、圖3。在孤島工作面的規(guī)則區(qū)域，應(yīng)力計(jì)的布置密度為10m。當(dāng)孤島工作面的不規(guī)則區(qū)域?yàn)榫匦螘r(shí)，兩側(cè)巷道鉆孔應(yīng)力計(jì)的密度為8m；當(dāng)孤島工作面的不規(guī)則區(qū)域?yàn)樘菪螘r(shí)，工作面形狀發(fā)生變化一側(cè)巷道鉆孔應(yīng)力計(jì)密度為8m，另一側(cè)密度為6m；當(dāng)孤島工作面的不規(guī)則區(qū)域?yàn)槿切螘r(shí)，兩側(cè)巷道的鉆孔應(yīng)力計(jì)密度為5m。在回采過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)有應(yīng)力超過(guò)預(yù)警值或者應(yīng)力快速增大時(shí)，應(yīng)提高鉆孔應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)的記錄密度，同時(shí)提高鉆屑法監(jiān)測(cè)的鉆孔密度，確定沖擊危險(xiǎn)性。

圖2 鉆孔布置縱剖面圖

圖3 鉆孔布置橫剖面

4 沖擊地壓防治技術(shù)

4.1 合理的巷道布置

基于礦山壓力分布規(guī)律的研究基礎(chǔ)上，正確選擇巷道的位置對(duì)于降低孤島工作面沖擊地壓的發(fā)生幾率，保證工作面的安全生產(chǎn)有重要的理論和實(shí)踐意義。

孤島工作面開(kāi)采時(shí)工作面巷道位置和支承壓力分布特征如圖4所示。

圖4 巷道布置圖

現(xiàn)在對(duì)孤島工作面巷道位置分別進(jìn)行分析。

4.1.1 巷道布置在A位置

A處位于原巖應(yīng)力區(qū)，巷道布置在A處時(shí)受孤島工作面的影響小，在超前支承壓力作用下巷道變形小。但是煤柱留設(shè)尺寸大，工作面回采后煤柱不易回收，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，而且還給下部煤層開(kāi)采帶來(lái)安全隱患，尤其是深部開(kāi)采時(shí)或者具有沖擊傾向性下部煤層更加危險(xiǎn)。

4.1.2 巷道布置在B、C位置

B位置位于規(guī)則區(qū)域的高應(yīng)力區(qū)，在掘進(jìn)時(shí)巷道圍巖的極限平衡狀態(tài)被打破，容易引起沖擊地壓事故。

C位置位于規(guī)則區(qū)域的高應(yīng)力區(qū)，巷道的開(kāi)掘會(huì)打破煤體的極限平衡狀態(tài)，使煤體的承載能力降低，促使圍巖應(yīng)力和支承壓力重新分布。在巷道附近的集中應(yīng)力與采空區(qū)集中應(yīng)力的共同作用下，增加了圍巖應(yīng)力程度和支承壓力集中程度，容易引起沖擊地壓事故。同時(shí)在C位置開(kāi)掘巷道，也會(huì)增加孤島煤柱不規(guī)則區(qū)域的應(yīng)力集中程度，不利于沖擊地壓防治。

4.2 合理的推進(jìn)速度

圖5 支承壓力峰值位置與工作面推進(jìn)速度關(guān)系圖

由圖5可見(jiàn)，支承壓力峰值與煤壁呈現(xiàn)非線(xiàn)性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常，剛開(kāi)始時(shí)工作面的推進(jìn)速度較低，然后逐漸升高，支承壓力峰值距離煤壁也會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)，即支承壓力峰值外移。當(dāng)推擠速度繼續(xù)增大時(shí)，支承壓力峰值向外移動(dòng)的速率會(huì)逐漸減小。隨著推進(jìn)速度的進(jìn)一步增大，支承壓力峰值與煤壁的距離會(huì)保持在一個(gè)固定值，也就是L4。而實(shí)際開(kāi)采活動(dòng)中，工作面的推進(jìn)速度會(huì)有個(gè)最大值（ V1）。當(dāng)工作面停止開(kāi)采活動(dòng)時(shí)，即V=0時(shí)，支承壓力峰值會(huì)隨著時(shí)間地發(fā)展向煤壁內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，最終停留在L3，此時(shí)頂板停止運(yùn)動(dòng)，重新進(jìn)入平衡狀態(tài)。

4.3 間歇式開(kāi)采

間歇式開(kāi)采，是指把多個(gè)孤島工作面作為一個(gè)整體，統(tǒng)籌卸壓和生產(chǎn)安排，在一個(gè)工作面開(kāi)挖時(shí)對(duì)另幾個(gè)工作面進(jìn)行卸壓處理，然后對(duì)卸壓工作面進(jìn)行開(kāi)采，對(duì)原開(kāi)采工作面進(jìn)行卸壓處理，以此往復(fù)循環(huán)，對(duì)孤島工作面提前卸壓處理。間歇式開(kāi)采的實(shí)質(zhì)就是能量釋放和回采工作的統(tǒng)籌安排。在工作面高應(yīng)力集中區(qū)采用密集鉆孔、爆破卸壓等方式進(jìn)行卸壓，對(duì)孤島工作面進(jìn)行注水軟化以降低煤體沖擊危險(xiǎn)性[4]。

針對(duì)“凸頂”部分不同形狀和面積，合理采用一種或幾種卸壓手段，消除高應(yīng)力集中，使工作面的沖擊危險(xiǎn)性降低或消除，從而達(dá)到防治沖擊地壓的目的。孤島工作面常用的卸壓手段有注水軟化、煤層卸壓爆破、斷頂爆破等。

當(dāng)“凸頂”為三角形，且面積小于25m2時(shí)，對(duì)工作面不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行注水軟化。注水參數(shù)，如注水壓力、注水時(shí)間、注水孔深度根據(jù)煤層具體物理屬性和應(yīng)力環(huán)境確定。實(shí)踐證明，煤層注水可以很好地改變煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，減弱或消除沖擊危險(xiǎn)發(fā)生的可能性。在巷道掘進(jìn)時(shí)可以不改變掘進(jìn)方向，在“凸頂”旁邊直接開(kāi)挖巷道。

當(dāng)“凸頂”面積在25～100m2時(shí)，采用注水軟化和煤層爆破卸壓相結(jié)合的方式，對(duì)不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行卸壓處理，直到監(jiān)測(cè)指標(biāo)都不超限。

當(dāng)“凸頂”面積大于100m2時(shí)，采用煤層爆破卸壓和采空區(qū)頂板深孔斷頂?shù)姆绞叫秹?。?shí)踐證明，煤層爆破卸壓和采空區(qū)頂板深孔斷頂相結(jié)合能有效地降低孤島面不規(guī)則區(qū)域的應(yīng)力。

5 結(jié)論

本文綜合運(yùn)用了以鉆屑法監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、圍巖變形監(jiān)測(cè)相結(jié)合的沖擊地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)對(duì)巷道布置在孤島工作面不同位置時(shí)的沖擊地壓危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，可確定孤島工作面回采巷道布置位置。采用設(shè)計(jì)合理的推采速度，在不規(guī)則區(qū)域或高應(yīng)力區(qū)實(shí)時(shí)降低推進(jìn)速度，利于能量的有序釋放，可降低沖擊危險(xiǎn)性。提出了間歇式開(kāi)采、確定了間歇式開(kāi)采的解危手段。