底板解放層治理強(qiáng)沖擊地壓危險(xiǎn)工作面技術(shù)研究

孫錦華

(龍煤鶴崗礦業(yè)有限責(zé)任公司， 黑龍江 鶴崗 154100)

1 礦井概況

1.1 礦井位置

富力煤礦位于黑龍江省鶴崗市南山區(qū)，距離鶴崗火車站南10 km。本礦區(qū)交通極為方便，礦區(qū)用鐵路及鶴佳鐵路，哈羅公路、201國道、鶴伊公路均經(jīng)本礦區(qū)。

1.2 富力煤礦18-2層沖擊傾向性鑒定結(jié)果

經(jīng)中國礦業(yè)大學(xué)鑒定，富力煤礦18-2層頂板具有強(qiáng)沖擊地壓危險(xiǎn)、煤層具有弱沖擊危險(xiǎn)，底板具有弱沖擊危險(xiǎn)。富力礦歷次沖擊地壓事故也都是發(fā)生在18-2層工作面。

1.3 富力煤礦沖擊地壓事故回顧

截止2018年12月富力煤礦開采期間共記錄沖擊地壓事故8次。

(1)富力煤礦62182里外區(qū)分區(qū)煤柱回風(fēng)繞道下山，1998年6月15日首次發(fā)生沖擊地壓事故，死亡2人。

(2)富力煤礦61186井筒煤柱區(qū)π放工作面，分別在2003年10月5日21時(shí)40分和2003年10月20日發(fā)生沖擊地壓事故，震級(jí)為3.1級(jí)和2.9級(jí)。

(3)富力煤礦62183一分層高檔工作面，分別2003年11月8日和2003年11月21日發(fā)生沖擊地壓事故，震級(jí)為1.9級(jí)。

(4)富力煤礦62183下段外區(qū)回風(fēng)道，分別在2005年11月27日1時(shí)和11月27日16時(shí)發(fā)生沖擊地壓事故。

(5)富力煤礦62184工作面2014年5月28日3時(shí)，工作面發(fā)生沖擊地壓事故，微震監(jiān)測(cè)能量為3.08E+6J，震級(jí)為2.47級(jí)。

2 富力礦18-2層“5.28”沖擊地壓事故分析

2.1 富力煤礦62184工作面沖擊地壓事故介紹

62184工作面設(shè)計(jì)走向340 m，傾斜130 m，工作面采高2.4 m，平均煤厚9.5 m，傾角平均17°，平均采深600 m，采用綜采放頂煤工藝，生產(chǎn)作業(yè)方式為“兩采一準(zhǔn)”。事故發(fā)生時(shí)工作面風(fēng)道采出40.5 m，機(jī)道采出75.8 m，平均推進(jìn)58 m。震源點(diǎn)距工作面硬幫向采空區(qū)方向11 m，距機(jī)道上幫向工作面72 m，標(biāo)高-260 m，在頂板58 m位置，能量為3.08E+06J。

2.2 沖擊地壓事故產(chǎn)生后果

風(fēng)道超前50 m有少量碹皮脫落，工作面14至17組架子硬幫片幫1.2 m，20至43組架子硬幫片幫0.5 m，頂板完整。采煤機(jī)在第5組～13組架子處被硬幫片貨擠向軟幫傾斜0.2 m,運(yùn)輸機(jī)道在工作面超前40 m范圍有較多碹皮脫落，40～80 m有少量碹皮脫落，工作面23、24、32、33組支架伸縮梁共5個(gè)千斤頂損壞，Φ10 mm高壓膠管有22根損壞，支架大柱有4個(gè)安全閥開啟卸壓現(xiàn)象。沖擊發(fā)生后次生災(zāi)害工作面瓦斯超限長達(dá)13小時(shí)。工作面停產(chǎn)6個(gè)月進(jìn)行沖擊地壓治理和瓦斯治理。

2.3 “5·28”沖擊地壓事故原因分析

富力煤礦“5·28”沖擊地壓事故的發(fā)生是外力場(chǎng)與內(nèi)力場(chǎng)共同作用的結(jié)果。7層煤和11層煤遺留斷層煤柱形成的集中應(yīng)力、相鄰三側(cè)采空區(qū)形成的側(cè)向支承壓力、F2大斷層殘余構(gòu)造應(yīng)力及開采導(dǎo)致堅(jiān)硬頂板懸頂引起的采動(dòng)應(yīng)力共同疊加作用形成的外力場(chǎng)為沖擊地壓事故的發(fā)生提供“力源”。巷道支護(hù)薄弱，煤體強(qiáng)度低，這種圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)為沖擊地壓事故的發(fā)生提供了明顯的“弱結(jié)構(gòu)”。在內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用下，在工作面內(nèi)及兩條順槽超前影響范圍和煤柱影響區(qū)內(nèi)圍巖中形成“沖擊災(zāi)害體”，在高應(yīng)力場(chǎng)的作用下，該災(zāi)害體在“弱結(jié)構(gòu)”處失穩(wěn)發(fā)生沖擊地壓事故。

2.4 事故后采取的防沖綜合治理措施

與北京科技大學(xué)開展技術(shù)合作，根據(jù)該工作面沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，提出“三低、四強(qiáng)”沖擊地壓治理的機(jī)理(三低：低密度、低應(yīng)力、低擾動(dòng)；四強(qiáng)：強(qiáng)卸壓、強(qiáng)支護(hù)、強(qiáng)監(jiān)測(cè)、強(qiáng)防護(hù))，采取綜合性防沖措施，使該工作面安全回采結(jié)束。表1為該工作面施工的卸壓工程量。

圖1 62184工作面鄰區(qū)臨層平面圖

圖2 62184工作面鄰區(qū)臨層走向剖面圖

施工地點(diǎn)鉆孔類別施工數(shù)量/個(gè)施工延米/m恢復(fù)巷道/m下幫大孔徑3607500—頂板傾斜預(yù)裂362880—走向預(yù)裂431849—風(fēng)道頂板巖石注水20925—煤體卸壓炮41410—巷道恢復(fù)——450上幫大孔徑3157875—下幫大孔徑2685640—機(jī)道頂板巖石注水13560—煤體卸壓炮1141140—工作面大孔徑86229060—瓦斯抽采孔24313380合計(jì)231571219450

3 開采底板解放層治理沖擊地壓技術(shù)

3.1 沿傾斜方向的解放范圍的確定

解放層工作面沿傾斜方向的保護(hù)范圍應(yīng)根據(jù)卸壓角劃定。在沒有本礦井實(shí)測(cè)的卸壓角時(shí)，可參考表2的數(shù)據(jù)。

表2 解放層沿傾斜方向的卸壓角

21層傾角為28°，因此δ1取69°、δ2取90°。

3.2 沿走向的解放范圍的確定

若解放層采煤工作面停采時(shí)間為8個(gè)月(已超過3個(gè)月)、且卸壓比較充分，則該解放層采煤工作面對(duì)被解放層沿走向的保護(hù)范圍對(duì)應(yīng)于始采線、停采線及所留煤柱邊緣位置的邊界線可按卸壓角δ5=56°～60°劃定，如圖3所示。

圖3 保護(hù)層工作面始采線、采止線和煤柱的影響范圍

A—解放層；B—被解放層；C—煤柱；D—采空區(qū)；E—解放范圍；F—始采線、停采線

3.3 最大保護(hù)垂距

下解放層的最大保護(hù)垂距：

β1為解放層開采的影響系數(shù)，當(dāng)M≤M0時(shí)，β1=M/M0，當(dāng)M>M0時(shí)，β1=1；

M為解放層的開采厚度，m；

M0為解放層的最小有效厚度，m。

β2為層間硬巖(砂巖、石灰?guī)r)含量系數(shù)，以η表示在層間巖石中所占的百分比，當(dāng)η≥50%時(shí)，β2=1～0.47η/100，當(dāng)η<50%時(shí)，β2=1。

表3 與開采深度和工作面長度之間關(guān)系

3.4 底板解放層技術(shù)方案的確定

18-2層與下覆21層的層間距為25～40 m，21層平均傾角28°，平均采高2.7 m。根據(jù)上述計(jì)算可知：21層滿足最小間距23.76 m的要求；18-2層頂板關(guān)鍵巖層為8.15 m處的25 m厚粗砂巖，21層開采最大解放垂距為126 m，可滿足解放要求。因此可以確定21層具備做為18-2層底板解放層的地質(zhì)條件，只需在布置工作面時(shí)將18-2層62185工作面全部布置在21層解放范圍內(nèi)即可。

4 底板解放層效果分析

4.1 三帶關(guān)系論證

21#底板解放層三帶計(jì)算：

H冒=100∑m÷(0.49∑m+19.2)±4.71

=[100×3.5÷(0.49×3.5+19.2)]+4.71

=21.5 m

H裂=100∑m÷(0.26∑m+6.88) +11.49

=[100×3.5÷(0.26×3.5+6.88)]+11.49

=56.42 m

H緩=735.6-(H冒+H裂)

=735.6-(21.5+56.42)

=657.68 m

上覆18-2#煤層頂板大于10 m的粗砂巖(25.05 m)處于裂隙帶內(nèi)；細(xì)砂巖(10.2 m)處于裂隙帶內(nèi)；粗砂巖(63 m)處于裂隙帶和緩慢下沉帶內(nèi)；細(xì)砂巖(14.6 m)處于緩慢下沉帶內(nèi)，其巖層都能夠充分?jǐn)嗔?，釋放積聚的能量。

4.2 微震監(jiān)測(cè)分析

(1)本區(qū)上段62184工作面開采時(shí)震動(dòng)情況

本區(qū)上段62184工作面未開采底板21層解放層，回采期間微震監(jiān)測(cè)震動(dòng)事件840次，能量為四次方的震動(dòng)35個(gè)、五次方的震動(dòng)28個(gè)、六次方的震動(dòng)3個(gè)，其中最大能量為3.08E+06J。

(2)開采21層時(shí)對(duì)上覆18-2層及其頂?shù)装宓挠绊懀?/p>

21層開采期間震源總震動(dòng)次數(shù)608個(gè)。

震源分布在21層底板的87個(gè)，占震動(dòng)總數(shù)的14.3%；

震源分布在21層頂板(18-2層底板)55個(gè)，占震動(dòng)總數(shù)的8.7%；

震源分布在18-2煤層內(nèi)的14個(gè)，占震動(dòng)總數(shù)的2.3%；

震源分布在18-2層頂板的震動(dòng)共452個(gè)，占總數(shù)的63.7%。

(3)62185工作面采掘期間震動(dòng)情況

62185工作面采、掘期間微震監(jiān)測(cè)震動(dòng)事件只發(fā)生了5次，且最大能量為8.13E+02J， 與62184工作面對(duì)比，震動(dòng)能量大幅降低、震動(dòng)頻次減少99.4%。

以上數(shù)據(jù)顯示開采21層解放層后，18-2煤層底板和堅(jiān)硬厚層頂板得到預(yù)裂、應(yīng)力得到了充分釋放(震源最高標(biāo)高-191.0，距18-2層150 m)、震動(dòng)頻次明顯減少。頂板兩個(gè)關(guān)鍵厚巖層25.05 m粗砂巖和63 m粗砂巖得到充分預(yù)裂，位置為頂板5.7～30.12 m為第一關(guān)鍵層；頂板53.05～116.05 m為第二關(guān)鍵層，不再具備積聚沖擊能量的條件。

4.3 鉆粉率監(jiān)測(cè)分析

62185工作面掘進(jìn)期間對(duì)全巷道進(jìn)行了鉆粉率監(jiān)測(cè)，鉆粉率最大為1.0、最小為0.7，其監(jiān)測(cè)數(shù)值均低于臨界值。監(jiān)測(cè)指標(biāo)：2～4 m標(biāo)準(zhǔn)值2.1 kg/m，臨界值3.2 kg/m；5～10 m標(biāo)準(zhǔn)值2.5 kg/m，臨界值5.0 kg/m。

4.4 應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)分析

62185工作面安裝了KJ550應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與KJ653頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；夭善陂gKJ550應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)值為平均3 MPa，其預(yù)黃色警值為10 MPa、紅色預(yù)警值為12 MPa； KJ653頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)值為平均25 MPa，其預(yù)警值為40 MPa。兩種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)值均低于預(yù)警值。

4.5 巷道壓力顯現(xiàn)對(duì)比

未開采底板解放層的62184工作面，風(fēng)道應(yīng)力集中，巷道底鼓、棚腿變形嚴(yán)重，巷道原斷面15 m2，巷道變形縮小至3 m2，巷道全斷面恢復(fù)450 m。

62185工作面上下兩巷超前壓力不明顯，巷道沒有嚴(yán)重變形和底鼓現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力顯現(xiàn)不明顯。

5 結(jié)論

富力礦采取了先開采21層兩個(gè)工作面作為62185工作面底板解放層，使62185工作面頂板預(yù)裂、應(yīng)力得到較好釋放，不具備發(fā)生沖擊的條件。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用成功為今后再開采18-2層強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)工作面時(shí)提供了可靠的技術(shù)支撐，同時(shí)分析總結(jié)出以下幾項(xiàng)成果：第一，21層對(duì)18-2層的保護(hù)角為走向60°、傾向上部90°、傾向下部69°、最小層間距23.76 m、有效保護(hù)高度150 m。第二，解放層區(qū)段布置時(shí)巷道應(yīng)采用無煤柱或小煤柱，避免被解放層開采時(shí)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中區(qū)。第三，要通過打鉆粉率或應(yīng)力探測(cè)孔等方式驗(yàn)證保護(hù)效果及保護(hù)范圍。第四，成功治理了62184工作面沖擊地壓危險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了無沖擊事故的安全生產(chǎn)目標(biāo)，釋放安全產(chǎn)能55.9萬噸，經(jīng)濟(jì)效益8 925萬元。