風險預控在門克慶煤礦沖擊地壓防治中的實踐應用

鐘凱 王剛

摘要：文章以門克慶煤礦3102綜采工作面2018年4月8日所發(fā)生的“4.8”沖擊地壓事件為案例，以該礦井沖擊地壓風險預控為研究對象，對其沖擊地壓災后恢復工作和災害防治進行了大量的實踐研究，通過優(yōu)化采掘布局、加強巷道支護、超前卸壓解危、強化預測預報、合理組織生產(chǎn)、嚴格人員準入等有效措施，最終形成了一套較為完整的沖擊地壓災后恢復和災害防治的處理方案，有力地促進了該礦井安全生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展，對類似礦井沖擊地壓風險預控和安全生產(chǎn)有一定的借鑒作用。

關鍵詞：沖擊地壓;災害防治;風險預控;安全生產(chǎn)

中圖分類號：TQ171.6⁺11;TD324 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）10-0038-05

沖擊地壓是煤礦井巷或工作面周圍煤巖體由于彈性變形能瞬間釋放而產(chǎn)生劇烈破壞的動力現(xiàn)象，其具有突發(fā)性、復雜性、多樣性，會造成巷道和工作面摧毀，造成煤礦直接經(jīng)濟損失，甚至會引發(fā)人員傷亡事故。近年來沖擊地壓一直未能得到徹底解決，已成為嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)的重大自然災害之一。

2018年4月8日，門克慶煤礦3102綜采工作面（以下簡稱3102面）回風巷發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)，回風巷局部巷道閉塞，工作面被迫停產(chǎn)近10個月。最后不得以開掘回風順槽，縮短工作面斜長，重新構建生產(chǎn)系統(tǒng)來恢復生產(chǎn)。

因此通過優(yōu)化礦井采掘布局、加強巷道支護、超前卸壓解危、強化預測預報、合理組織生產(chǎn)、嚴格人員準人等有效措施，來避免沖擊地壓的發(fā)生或減小事故發(fā)生的損失就顯得尤為重要。

1礦井工作面及“4.8”沖擊事件概況

1.1礦井工作面概況

門克慶煤礦可采煤層9層，煤層平均厚為20.9m，采用立井多水平開拓方式、長壁一次采全高綜合機械化采煤，全部垮落法管理頂板。礦井首采煤層為3-1煤層，經(jīng)鑒定其具有強沖擊傾向性，頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，2016年10月南翼3101首采工作面投產(chǎn)。

2018年4月8日發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)為3102面，該工作面為11盤區(qū)第二回采工作面，緊鄰3101面東側(cè)，埋深677～707m，煤層傾角為1～4°，平均采高4.7m。事故發(fā)生前，累計回采932m，剩余4607m。事故發(fā)生時，3102面滯后3101面3006m，兩工作面相對位置如下圖1所示。

1.2“4.8”沖擊事件概況

2017年9月9日早至2018年4月8日午，累計共發(fā)生23次沖擊顯現(xiàn)事件，3102面不同程度地出現(xiàn)了幫鼓、頂板下沉、單體折損、煤塊突出、底鼓等現(xiàn)象。其中5次強礦震事件，地表有輕微震感。

2018年4月8日12時59分51秒，3102面回風巷附近發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)，震源位于3102面機尾前約150m，震源標高675m（煤層頂板上方約71m），能量為3.3x107J。當時正在工作面檢修的人員感受到一次巨大煤炮聲，位于3102面回風巷超前工作面300m位置的支護工人感受到兩次悶響煤炮聲，兩次連續(xù)氣流沖出、風量較大、風流持續(xù)時間較長，部分人員看到超前支護錨索外露端有明顯火光。礦震發(fā)生后3102面回風巷風量明顯減小，經(jīng)實測風量由2049m³/min減少為419m³/min，當日夜班監(jiān)測為237m³/min。

礦壓顯現(xiàn)發(fā)生后，立即組織工作面人員撤離至輔運巷并撤出回風巷所有作業(yè)人員，未造成人員傷亡。礦壓穩(wěn)定后勘察現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)3102面機尾回風巷口變形嚴重、出口堵塞，機尾4臺端頭支架前大量煤體堆積，機尾底板鼓起約1.5m;3102面回風巷超前工作面90m區(qū)段單體受損、木垛摧垮、支護破壞、煤體拋出、巷道堵塞。沖擊顯現(xiàn)影響區(qū)域如圖2所示。

2沖擊地壓應急處置措施

2.1工作面應急通風措施

事件發(fā)生后，工作面及回風巷風量驟減，不具備人員作業(yè)條件，采取在工作面及回風巷安裝局部通風機的方法應急供風。

1）3102面：在3102主輔15#聯(lián)巷安裝1臺FBD-N07.1/2x37kW局部通風機，并接qb800mm風筒延伸至工作面機尾，確保機尾恢復供風。

2）3102回風巷：在3101主輔LZ2聯(lián)巷外安裝1臺FBD-N08.0/2x75kW局部通風機，并接qb800mm風筒延伸至工作面超前支護段最外端（超前機尾300m），確?；仫L巷應急人員能夠進入作業(yè)。

2.2導硐法恢復工作面通風系統(tǒng)

為了能夠迅速恢復工作面正常通風系統(tǒng)，從回風巷生產(chǎn)幫肩窩處施工高×寬=1.5mX1.5m導硐約25m后，恢復了工作面全風壓通風系統(tǒng)，工作面風量穩(wěn)定在800m3/h左右，具備了基礎作業(yè)條件。

3沖擊地壓災后恢復治理措施

事件發(fā)生后，公司邀請國內(nèi)知名防沖專家對致災原因進行深入分析：就現(xiàn)場恢復，沖擊地壓防治對策及下一步開采方案的調(diào)整進行了充分研討，為礦井制定技術方案提供了參考和依據(jù)。

3.1沖擊地壓顯現(xiàn)原因分析

根據(jù)微震系統(tǒng)監(jiān)測信息統(tǒng)計分析，自18年3月3日107J事件后，3102面區(qū)域共發(fā)生105J以上微震事件7次，其中6次事件層位集中在頂板43～97m位置（對應巖層約60m厚粗粒砂巖、中粒砂巖）。初步判斷大能量微震事件是由上覆中高位關鍵層的大范圍破裂引起，礦井南翼區(qū)域頂板地層中存在的堅硬儲能關鍵層對于強礦震事件的發(fā)生起到關鍵影響作用，目前的沖擊地壓防治措施難以對該層位巨厚巖層進行處理;同時根據(jù)地表沉降觀測，3101面與3102面采空區(qū)聯(lián)合作用，地面沉降處于初期階段，上覆巖層處于移動活躍期，現(xiàn)有35m煤柱支承作用難以與覆巖運動達到平衡狀態(tài)。

3.2災后恢復治理措施

通過對留設不同寬度煤柱的應力模擬計算，制定了將回風巷側(cè)煤柱由35m增加至120m新開掘回風巷，在合適位置撤出80m綜采設備，工作面斜長縮短55 214.6m后恢復工作面的生產(chǎn)方案。方案施工為：

1）從3102面主運巷14#聯(lián)巷、11#聯(lián)巷分別開口施工1#、2#兩條腰巷構建掘進生產(chǎn)系統(tǒng);

2）腰巷施工到位后，分別向南、北掘進2#回風巷;

3）2#回風巷向南掘進的巷道與工作面貫通后，將工作面推采至合適位置開始上樹脂纖維網(wǎng)護頂，再推采13m完成上網(wǎng)后停止推采;

4）使用綜掘工藝擴刷機尾90m范圍回撤通道，回撤通道擴刷斷面為高×寬=4.2mX4.8m;

5）回撤機尾段設備并安裝回風巷100m超前支架，工作面具備了復產(chǎn)條件。3102面方案調(diào)整如下圖3所示。

4重大風險預控及效果

3102面回風巷“4.8”沖擊地壓發(fā)生時，給工作面機尾段及回風巷近百米巷道造成了巨大破壞，所幸管控到位確保了人員、設備和系統(tǒng)的安全;在沖擊地壓危險區(qū)域重新開掘巷道和進行支架回撤時，通過超前卸壓解危、加強個體防護和現(xiàn)場管理，保障了施工作業(yè)的安全;也因防滅火措施落實得當采空區(qū)未發(fā)生火災。

4.1“4.8”事件發(fā)生前沖擊地壓風險預控

3101面回采及3102面回采初期，礦壓顯現(xiàn)不明顯，作業(yè)人員對沖擊地壓認識不足，重視度不夠。3102面推采至160m位置時，礦壓顯現(xiàn)逐漸明顯，到“一次見方”區(qū)域以后，沖擊地壓現(xiàn)象愈發(fā)明顯，幫鼓、底鼓、頂板下沉、單體損壞等現(xiàn)象頻發(fā)，應引起各級管理人員的重視;應認真借鑒沖擊地壓災害嚴重的華豐礦、千秋礦及周邊礦井的防治和管控經(jīng)驗，并積極開展沖擊風險評價;應采取有針對性的防控措施來降低沖擊地壓風險可能帶來的損失。

1）應采用多種手段，實施源頭治理。①應采取施工超前煤體大直徑卸壓鉆孔來釋放煤體應力，降低沖擊危險程度;②應對兩巷頂板采取爆破切頂卸壓、退錨等措施來切斷懸頂或者破壞懸頂?shù)耐暾?，以減小懸頂對工作面的壓力影響;③應使用微震和應力在線監(jiān)測系統(tǒng)，做好預測預報來提高沖擊地壓監(jiān)測的可靠性;

2）應通過補強支護，提高危險區(qū)域的抗沖擊能力。應對3102面回風巷頂板和兩幫進行2、3次補強支護，頂板選用～21.8mm錨索配合n型鋼帶進行支護;幫部應在原有錨桿支護的前提下增加錨桿密度并補打錨索;

3）應合理組織勞動，強化現(xiàn)場管理。①應合理控制開采強度，當工作面沖擊危險性增強時，應降低工作面開采強度，加強工作面支架支護質(zhì)量，確保高度沖擊危險區(qū)段工作面推進度不大于6刀/d，巖層活動劇烈時段工作面推進度不大于3刀/d;②工作面生產(chǎn)過程中應要求勻速推進，保證每刀割煤時長均衡;保持頭尾等距推進，不出現(xiàn)連續(xù)甩機頭或機尾現(xiàn)象，保證工作面呈一條直線;危險區(qū)段必須保證頂、底板順平，嚴禁留有臺階，單向割煤減少機尾頂板連續(xù)擾動次數(shù);③應執(zhí)行危險區(qū)域物料設施固定管理，高危區(qū)域不得存放備用材料和設備，所有剛性材料應嚴格按照標準進行防沖固定;

4）應倡導“無人則安”理念，實行危險區(qū)域限員準人管理。根據(jù)風險評估結果，3102面140#支架至工作面機尾區(qū)段及回風巷超前300m區(qū)域為沖擊危險區(qū)域，因此應將這一區(qū)域作為重點管控區(qū)域，嚴格限員準入管理。①應將原設計的100m超前支護長度延伸至不少于300m，并將此300m區(qū)段按“無人區(qū)”管理，從而避免超前支護作業(yè)人員在危險區(qū)域停留、作業(yè);②回收工作面超前支護單體時應采取遠距離操作方式進行，人員不再進人回風巷口回收單體;③應在工作面140#支架及回風巷超前1000m兩個位置設置警戒，嚴控人員進入危險區(qū)域;四是應強化生產(chǎn)期間工作面的人員管控，煤機割煤期間，140#支架至機尾段只允許進入兩人，回風巷超前1000m范圍內(nèi)嚴禁有人。所幸嚴格執(zhí)行了限員準人制度，雖然發(fā)生了“4.8”沖擊顯現(xiàn)，但沒有造成人員傷亡。

4.2回撤通道掘進風險預控

3102面回撤通道掘進期間，由于受到3101面?zhèn)认蛑瘟Α?102面超前應力、上覆頂板運動、地質(zhì)構造、煤層合并線等因素影響。經(jīng)辨識3102面回撤通道存在兩個潛在沖擊地壓危險區(qū)域，第一危險區(qū)域為回撤通道掘進初掘50m范圍，屬弱沖擊危險區(qū)域;第二危險區(qū)域為回撤通道與原回風巷貫通30m段，屬中等沖擊危險區(qū)域，如下圖4所示。鑒于回撤通道掘進存在的沖擊地壓風險，應專門制定工作面回撤通道掘進期間的防沖專項設計，并嚴格抓好落實，從而保障了安全：①應嚴格落實區(qū)域和局部各項監(jiān)測預警措施，提前對機尾段80m范圍進行煤體大直徑鉆孔卸壓，確保掘進區(qū)域處于低應力水平;②應安設頂板離層儀對頂板離層情況進行觀測、分析，作為補充性監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)頂板離層情況及時調(diào)整支護參數(shù)，加強錨桿（索）的錨固力檢測，確保頂板支護有效;③應嚴格落實防沖服、閃光定位燈等個體防護用品，嚴格落實限員準人管理制度，并在兩條腰巷、原回風巷及新回風巷兩條聯(lián)巷設置警戒，嚴禁無關人員進人;④應嚴格生產(chǎn)管理，掘進迎頭影響半徑150m范圍內(nèi)不得同時進行其它采掘（巷修）活動，避免應力疊加導致沖擊地壓的發(fā)生。

4.3沖擊地壓危險區(qū)域支架回撤風險預控

綜采工作面支架回撤是一項風險較高的工作，在有沖擊地壓危險的區(qū)域回撤支架，屬于風險疊加。在進行3102面支架回撤前，風險辨識和評估認為預防沖擊地壓和機尾支架回撤時漏頂是安全管理的重點。在采用車輛快速回撤工藝的同時，為防風險、避免設備損失和人員傷亡，特需采取以下措施：①應加強鋪網(wǎng)上繩的質(zhì)量管理，每臺支架位置施工應壓網(wǎng)錨索，保證柔性金屬網(wǎng)與回撤通道網(wǎng)片的搭接質(zhì)量，特別是抓好端頭支架位置的進網(wǎng)質(zhì)量，盡可能與巷幫生根;②應提前對機尾原回風巷受沖擊區(qū)域的頂板、巷幫注人高分子材料，有效將破碎的頂、幫凝結為整體，同時在機尾端頭支架頂梁上架設工字鋼，有助于機尾端頭支架的順利撤出;③應在支架回撤區(qū)域超前卸壓解危，對危險區(qū)域進行鉆孔卸壓和頂板預裂爆破，弱化機尾35m煤柱區(qū)域集聚的應力;④應優(yōu)化支架回撤開口工藝，首先將第一臺掩護支架在原回風巷口貼幫放穩(wěn)，在便于待撤支架調(diào)向的同時，有效對易沖擊區(qū)域進行防護;⑤應在支架回撤過程中，采取順序逐架回撤的方式來有效控制三角區(qū)的面積，確保不發(fā)生漏頂現(xiàn)象;⑥應對2#回風巷與工作面交叉的三岔口區(qū)域的頂板提前進行加強支護，確保支架回撤收口期間的安全;⑦應嚴格落實各項防沖措施，重點加強礦壓觀測預警，做好人員準人管理和個體防護措施的落實m。

4.4采空區(qū)自然發(fā)火風險預控

根據(jù)多家科研院所出具的門克慶煤礦3-1煤層鑒定報告：3-1煤層屬易燃煤層，最短自燃發(fā)火期為49天，其標志性氣體為一氧化碳和乙烯?！?.8”事件后，工作面被迫長期停產(chǎn)，采空區(qū)自然發(fā)火危險性也隨之增加，煤礦采取了詳盡的控制標準和措施，在常規(guī)防滅火措施的基礎上對采空區(qū)再次加強封閉，有效控制了采空區(qū)自然發(fā)火的風險：①利用快壘材料及時在工作面進、回風隅角構筑隔離墻并對支架間進行噴涂，保證了進、回風隅角和架后的封閉效果;②向工作面架后壓注防滅火材料10h，減少架后向采空區(qū)漏風;③架間埋設22根帶保護套管的束管，同時鋪設3芯束管5500余米，每天對采空區(qū)內(nèi)氣體取樣、化驗、分析，并及時做出變化趨勢圖。累計對采空區(qū)、密閉等地點取樣分析4300余次，根據(jù)氣體變化情況及時采取合理、有效的防滅火措施;④通過3102輔運順槽向16#和17#聯(lián)巷密閉墻內(nèi)累計注漿42000m³，及時封堵了采空區(qū)的漏風通道;⑤對工作面裸露煤體及時噴灑阻化劑，共噴灑阻化劑30余噸，有效延緩了煤體氧化。對長時間堆積而又無法清理的浮煤及時注入保濕材料;⑥為保證工作面回風隅角風量滿足要求、風壓達到平衡，在工作面安裝2×22kW、2×18.5kW局部通風機及引風機向機尾供風;⑦3102面回撤通道掘進前在3102面2#回風巷內(nèi)構筑通風設施6組并隨時調(diào)整通風系統(tǒng)，保證掘進期間通風系統(tǒng)穩(wěn)定。

5結語

門克慶煤礦通過采取一系列的有效措施，沒有因“4.8”沖擊地壓及造成人員傷害和設備損壞，為礦井安全生產(chǎn)積累了豐富的風險管控經(jīng)驗。沖擊地壓防治仍然是制約該礦井安全生產(chǎn)的關鍵因素，應嚴格做到以下幾點，①要著重源頭控制。重視煤層和工作面采掘順序、巷道布置、支護及煤柱留設;②要進一步做好超前卸壓，強化監(jiān)測預警，合理勞動組織，加強生產(chǎn)管控;③采掘作業(yè)等設計應避免應力集中，防止不合理開采導致沖擊地壓發(fā)生;④要進一步分析高位頂板活動狀態(tài)，掌握其彎曲破斷規(guī)律并探尋有效的處理措施。才能從根本上實現(xiàn)對沖擊地壓風險的有效管控。