特厚煤層綜放開(kāi)采沖擊地壓防控技術(shù)研究與應(yīng)用

趙振中 吳正海

摘要：為解決礦井開(kāi)采過(guò)程中面臨的強(qiáng)沖擊地壓威脅，崔木煤礦通過(guò)多年的探索實(shí)踐，研究提出了一套強(qiáng)沖擊地壓特厚煤層綜放開(kāi)采安全防控一體化技術(shù)，并在生產(chǎn)過(guò)程中從安全性、技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性方面得到驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了全方位的防治沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的目的，保障了礦井安全高效開(kāi)采，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：沖擊地壓;防控;安全高效

中圖分類號(hào)：TD324 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）12-0154-03

1概述

陜西永隴能源開(kāi)發(fā)建設(shè)有限責(zé)任公司崔木煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為4.00Mt/a，服務(wù)年限為60.0a，采用綜采放頂煤走向長(zhǎng)壁后退式開(kāi)采，頂板管理方法為全部垮落法。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和3#煤層及頂?shù)装宓臎_擊傾向性參數(shù)測(cè)試鑒定及評(píng)價(jià)報(bào)告分析，礦井為具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)的沖擊地壓礦井。崔木煤礦回采工作面多次發(fā)生沖擊動(dòng)力顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為煤炮聲巨大、炸幫炸頂嚴(yán)重，巷道變形劇烈、有瞬時(shí)底鼓現(xiàn)象發(fā)生，給礦井安全生產(chǎn)及職工人身安全帶來(lái)巨大威脅。因此研究建立特厚煤層綜放開(kāi)采沖擊地壓防治管控一體化技術(shù)體系，對(duì)礦井安全高效開(kāi)采具有重要的意義。

2特厚煤層綜放開(kāi)采沖擊地壓綜合防控一體化技術(shù)

崔木煤礦根據(jù)能量理論、沖擊傾向理論、變形失穩(wěn)理論、強(qiáng)度弱化減沖機(jī)理等理論綜合分析，系統(tǒng)研究沖擊地壓發(fā)生的主要力源、積聚過(guò)程、破壞形式等因素，并經(jīng)過(guò)近五年的實(shí)踐探索，逐步構(gòu)建了一整套有效的沖擊地壓防控管控“156”技術(shù)體系：重點(diǎn)是一個(gè)“區(qū)域先行、局部跟進(jìn)”的防沖原則;“五強(qiáng)”防沖技術(shù)，即強(qiáng)卸壓、強(qiáng)監(jiān)測(cè)、強(qiáng)防護(hù)、強(qiáng)支護(hù)和強(qiáng)培訓(xùn);六位一體的“預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)預(yù)警、卸壓解危、效果檢驗(yàn)、安全防護(hù)、全員培訓(xùn)”的綜合防治措施。

2.1預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)評(píng)價(jià)包括兩方面內(nèi)容：一是對(duì)新揭露煤層或新的開(kāi)采水平進(jìn)行沖擊傾向性鑒定;二是在此基礎(chǔ)上結(jié)合地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件，采用綜合指數(shù)法、多因素耦合法、地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃法、工程類比法和數(shù)學(xué)分析方法，對(duì)采掘過(guò)程中可能出現(xiàn)沖擊地壓危險(xiǎn)的時(shí)期和區(qū)域，給出沖擊危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.2監(jiān)測(cè)預(yù)警

崔木煤礦采取區(qū)域監(jiān)測(cè)手段與局部監(jiān)測(cè)手段互相驗(yàn)證的的監(jiān)測(cè)預(yù)警模式，建立沖擊地壓多參量綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，主要包括：（1）采用鉆屑法分析鉆孔周邊煤體內(nèi)不同深度應(yīng)力大小;（2）采用波蘭進(jìn)口SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析煤巖體破壞規(guī)律及范圍;（3）采用KJ21應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)沖擊危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)力積聚變化情況;（4）采用巷道頂板離層觀測(cè)、巷道變形位移觀測(cè)和支架初撐力監(jiān)測(cè);（5）工作面采掘強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、地質(zhì)構(gòu)造影響監(jiān)測(cè);（6）在工作面還采用震波CT原理對(duì)工作面前方隱伏構(gòu)造及高應(yīng)力區(qū)分布進(jìn)行探測(cè)。

2.3多級(jí)深孔卸壓爆破解危技術(shù)

根據(jù)各采掘頭面沖擊地壓形成機(jī)理、影響因素和危險(xiǎn)程度不同，采用分源、分級(jí)沖擊地壓防治措施。主要采取“頂板深孔預(yù)裂爆破”、“底板大孔徑鉆孔及爆破卸壓”和“巷道幫部大孔徑深孔卸壓”等綜合防沖卸壓措施。卸壓措施根據(jù)施工目的不同可分為兩種，一是根據(jù)采前危險(xiǎn)評(píng)價(jià)施工的危險(xiǎn)區(qū)域采前預(yù)卸壓;二是根據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警危險(xiǎn)區(qū)域的開(kāi)展動(dòng)態(tài)應(yīng)急解危卸壓。

2.4效果檢驗(yàn)

防治效果檢驗(yàn)是沖擊地壓防治的一項(xiàng)重要的程序，檢驗(yàn)方法包括：鉆屑法、煤體應(yīng)力計(jì)、微震數(shù)據(jù)分析、鉆孔窺視等，經(jīng)效果檢驗(yàn)為安全后，方可生產(chǎn)。

2.5安全防護(hù)

常規(guī)的支護(hù)形式已愈來(lái)愈難以應(yīng)對(duì)沖擊地壓的嚴(yán)重顯現(xiàn)，崔木煤礦根據(jù)沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果改進(jìn)優(yōu)化錨網(wǎng)索支護(hù)方案，增強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度，提高巷道抗災(zāi)能力。同時(shí)對(duì)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域人員出入管理，配備了防沖服和防沖帽，用于發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害時(shí)，降低人員傷亡程度，減小事故災(zāi)害程度。

2.6全員培訓(xùn)

堅(jiān)持開(kāi)展全員培訓(xùn)制度，對(duì)沖擊地壓分管負(fù)責(zé)人、防沖機(jī)構(gòu)和防沖隊(duì)伍專業(yè)人員必須參加專業(yè)技術(shù)培訓(xùn);對(duì)涉及沖擊地壓防治的部門、采掘區(qū)隊(duì)和井下輔助單位的相關(guān)人員，必須進(jìn)行沖擊地壓防治知識(shí)的普及教育，具備沖擊地壓防治的基本知識(shí)。

3多級(jí)深孔卸壓爆破解危技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)《崔木煤礦22304工作面回采期間沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)》分別從地質(zhì)及開(kāi)采因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，確定22304工作面的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。另外工作面還將受正斷層DF4∠55°H=2.6m及切眼口另一正斷層195°∠70°H=0.6m的影響，當(dāng)工作面向在斷層影響區(qū)域回采時(shí)，容易造成斷層滑移失穩(wěn)，發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，從而猛烈釋放能量，誘發(fā)沖擊地壓，影響工作面的安全生產(chǎn)。當(dāng)工作面推至“周期來(lái)壓”、“見(jiàn)方來(lái)壓”位置時(shí)礦壓顯現(xiàn)劇烈，頂?shù)装遄冃瘟看?，此時(shí)易發(fā)生頂板冒落，是沖擊地壓的重點(diǎn)防治階段。為確保工作面安全回采，采取“頂板深孔預(yù)裂爆破”、“底板大孔徑鉆孔及爆破聯(lián)合卸壓”和“巷道幫部大孔徑深孔卸壓”綜合防沖卸壓措施。在方案實(shí)施過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的變化并結(jié)合沖擊地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，對(duì)方案設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整和優(yōu)化。

3.1頂板深孔預(yù)裂爆破

采用頂板深孔預(yù)裂爆破有助于降低頂板垮斷產(chǎn)生的沖擊動(dòng)載荷。如圖2，設(shè)計(jì)參數(shù)為：（1）在22304機(jī)巷與措施巷向回采幫頂板施工爆破孔，機(jī)巷三個(gè)一組，措施巷三個(gè)一組，控高約30～45m，A、B組爆破循環(huán)步距為20m;（2）在22304機(jī)巷沿巷道走向從里向外施工機(jī)巷頂板切頂孔，控高30～45m，J組爆破循環(huán)步距為10m;（3）在22304措施巷向風(fēng)巷煤柱幫施工頂板爆破孔，終孔位置覆蓋巷道保護(hù)輪廓線15m，控高30～45m，F(xiàn)組爆破循環(huán)步距為10m。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2底板大孔徑鉆孔及爆破聯(lián)合卸壓

22304機(jī)、風(fēng)巷回采期間兩幫受力向下傳遞時(shí)，底板煤體成為承載主體，在動(dòng)壓載荷作用下易發(fā)生破壞，尤其具有沖擊傾向性的底煤本身具備集聚彈性能并發(fā)生沖擊破壞的特性。因此，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件，22304機(jī)巷采取底板爆破卸壓處理，22304風(fēng)巷采取底板大孔徑泄壓處理。如圖3所示，22304風(fēng)巷在回采幫和煤柱幫的幫部底角處，按間距3m，垂直于煤幫斜向下60°施工，卸壓孔深度施工至煤層底板，孔徑Ф133mm;22304機(jī)巷在巷道中部按間距3m，垂直底板向下施工底板爆破孔，孔深8m，孔徑Ф42mm，裝藥<3公斤，封孔≥3m。

3.3巷道幫部大孔徑深孔卸壓

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)22304工作面機(jī)、風(fēng)巷幫部采用大孔徑深孔鉆孔方式進(jìn)行卸壓。在幫部施工大孔徑卸壓鉆孔，垂直于巷幫布置，水平鉆孔，鉆孔直徑Ф133mm，鉆孔深度30m，機(jī)巷封孔長(zhǎng)度2m，風(fēng)巷封孔長(zhǎng)度3m，鉆孔高度1.2m，孔間距3m。鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

4防沖效果分析

在采取綜合卸壓措施后，工作面日常采用微震法、鉆屑法和KJ21應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)等手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)和效果檢驗(yàn)。為使效果檢驗(yàn)結(jié)果具有典型性，本文以工作面推至“見(jiàn)方來(lái)壓”位置時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

如圖4所示，根據(jù)近10天工作面見(jiàn)方來(lái)壓期間微震能量變化圖看出，工作面每天微震總能量3.12x105J～3.78x106J變化，根據(jù)《崔木煤礦微震監(jiān)測(cè)定性定量分析預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法》，評(píng)定22304工作面沖擊危險(xiǎn)危險(xiǎn)性為弱和中等。

如圖5所示，根據(jù)KJ21應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)最大應(yīng)力變化曲線圖看出，最大應(yīng)力值在0.15-12.1MPa變化，根據(jù)崔木煤礦應(yīng)力預(yù)警評(píng)價(jià)為無(wú)沖擊危險(xiǎn)性。

另外，根據(jù)近7天見(jiàn)方來(lái)壓期間鉆屑法監(jiān)測(cè)，22304工作面鉆屑量變化遠(yuǎn)小于鉆屑量臨界值，說(shuō)明工作面無(wú)沖擊危險(xiǎn)性。

5結(jié)論

（1）采用SOS微震監(jiān)測(cè)、KJ21在線監(jiān)測(cè)等全方位、多層次的現(xiàn)代化沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，做到了及時(shí)有效識(shí)別出沖擊地壓危險(xiǎn)源，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓危險(xiǎn)多參量綜合預(yù)警。

（2）崔木煤礦特厚煤層綜放開(kāi)采沖擊地壓防治管控一體化技術(shù)體系的成功應(yīng)用，有效降低了煤巖體中的應(yīng)力和工作面沖擊危險(xiǎn)性，取得了良好的防治沖擊地壓效果，為崔木煤礦持續(xù)安全高效開(kāi)采奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)類似條件下礦井安全開(kāi)采具有重要的推廣價(jià)值。