開灤唐山煤礦沖擊地壓防治實踐

蘇衛(wèi)東

(開灤能源化工股份有限公司，河北 唐山 063018)

0 引言

唐山煤礦隸屬開灤集團，設(shè)計生產(chǎn)能力420萬t/a，核定生產(chǎn)能力300萬t/a，1878年建井，1881年投產(chǎn)，距今已有142年的歷史。唐山煤礦位于開平煤田西北翼的西南端。井田內(nèi)主要構(gòu)造復雜，由北向南依次排列著5條主斷層，其斷層走向與地層走向基本平行。礦井主要生產(chǎn)煤層有5號煤層、8號煤層和9號煤層(8、9大部分為合區(qū))。5號煤層均厚2.45 m，8號煤層平均厚度3.21 m，9號煤層平均厚度6.63 m，8、9號煤層合區(qū)部分平均厚度達9.84 m。2018年度礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果為高瓦斯礦井，相對瓦斯涌出量為5.26 m3/t，絕對涌出量為41.84 m3/min。

2019年8月2日，礦井風井煤柱采區(qū)5號煤層發(fā)生一次沖擊地壓事故。岳胥區(qū)和南五采區(qū)未發(fā)生沖擊地壓事故，現(xiàn)已恢復生產(chǎn)?；謴蜕a(chǎn)采區(qū)與風井煤柱采區(qū)的水平間距在3.5 km以上，中間為采空區(qū)。現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)域為岳胥區(qū)首采區(qū)西南翼9號煤層，南五采區(qū)5、9號煤層。目前礦井采煤工藝主要為走向長壁綜合機械化采煤、綜合機械化放頂煤開采工藝?；謴蜕a(chǎn)的采煤工作面為0253和Y394采煤工作面；恢復生產(chǎn)的掘進工作面為Y250-1溜子道、0252運煤邊眼、0060運煤巷和南五運輸巷(巖巷)。

1 沖擊地壓防治技術(shù)

1.1 調(diào)整礦井開拓布局

開采布局優(yōu)化：研究和經(jīng)驗表明，開拓開采布局不合理是造成沖擊地壓的重要因素之一[1-3]。不合理的開拓開采布局一經(jīng)形成就難以改變，易造成應(yīng)力集中與疊加，到工作面開采時只能采取局部措施，耗費很大且效果有限，合理的開拓開采布局是防治沖擊地壓的有限區(qū)域預防措施。

降低開采強度：降低開采強度是防治沖擊地壓最直接有效的治理方法[4-6]。唐山煤礦調(diào)整了礦井生產(chǎn)定位及開采布局，對風井煤柱采區(qū)隔離處理，繼續(xù)停產(chǎn)，并加強監(jiān)測和人員準入管理，減少同時采掘作業(yè)線數(shù)量，降低礦井生產(chǎn)能力和工作面產(chǎn)量。在調(diào)整礦井開拓的基礎(chǔ)上，唐山煤礦重新調(diào)整礦井生產(chǎn)定位，降低礦井產(chǎn)能，核定生產(chǎn)能力由420萬t/a核減為300萬t/a。降低工作面開采強度，不僅可以有效減緩上覆巖層下沉的影響，實現(xiàn)礦山壓力和圍巖積聚能量的穩(wěn)定緩慢釋放，更為重要的是，降低開采強度，為防沖措施實施騰出了時間和空間，進一步提高了礦井防沖工作的安全保障能力。

1.2 優(yōu)化工作面布置

調(diào)整采掘順序：調(diào)整并優(yōu)化采掘接續(xù)和開采順序，避開采掘擾動影響，做到“一面一評價一設(shè)計一措施”。嚴格落實工作面沖擊危險性評價與防沖設(shè)計的要求，確定采煤工作面的安全推進速度4刀為3.5 m/d。

強化工作面防沖：在礦井防沖規(guī)劃和開拓布局調(diào)整的基礎(chǔ)上，對工作面布置進行優(yōu)化調(diào)整。從工作面順序開采避免“孤島”，確保合理錯距避免相互擾動[7-9]，避免設(shè)計巷道群和交叉巷道確定合理開采強度等方面，超前預防沖擊地壓的發(fā)生。

調(diào)整生產(chǎn)模式：減少采煤工作面同時開采數(shù)量，推行“一井兩面”生產(chǎn)模式。

1.3 調(diào)整后的采區(qū)與工作面布置

依據(jù)南五采區(qū)沖擊危險性評價和防沖設(shè)計要求，調(diào)整原南五采區(qū)設(shè)計，主要有以下4個方面。

采區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)布置層位調(diào)整：設(shè)計采區(qū)0060主運、0080軌道、0043回風的3條下山均布置在無沖擊危險的巖層中。5、8、9號3個煤層采用聯(lián)合布置。

取消部分西翼工作面：南五-950 m水平以下采用單翼開采布置，將原設(shè)計的西翼0255、0293、0295、0297工作面取消，僅設(shè)計東翼部分。西翼部分剩余儲量待系統(tǒng)回收一起考慮并設(shè)計。

調(diào)整工作面走向：東翼工作面方向與9號煤層不一致，存在銳角夾角，與采區(qū)巷道系統(tǒng)不垂直，存在銳角夾角，停采線位置呈階梯狀，沖擊危險性較高。將原設(shè)計工作面走向方向調(diào)整為與8、9號煤層方向一致，與巷道系統(tǒng)基本垂直，停采線保持一致。

調(diào)整停產(chǎn)線：巷道系統(tǒng)布置間距30 m以上，對停產(chǎn)線進行調(diào)整，保證巷道保護煤柱留設(shè)不小于120 m。對采區(qū)系統(tǒng)巷道進行設(shè)計優(yōu)化，優(yōu)化0252工作面生產(chǎn)系統(tǒng)巷道，優(yōu)化水倉水平標高及位置。設(shè)計5、8、9號3個煤層工作面連接的集中斜石門，工作面傾斜長度全部調(diào)整為斜長150 m。

2 沖擊地壓預測預報及解危措施

2.1 沖擊地壓預測預報

區(qū)域監(jiān)測方案：唐山煤礦沖擊地壓區(qū)域監(jiān)測方案為ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)拾震器布置方案和煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置方案。目前，KJ768煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)正常運行，沖擊地壓微震監(jiān)測臨界指標正常。ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)正常運行，沖擊地壓微震監(jiān)測臨界指標正常。

局部監(jiān)測方案：局部監(jiān)測方法主要包括鉆屑法、在線應(yīng)力監(jiān)測法、電磁輻射法、礦壓監(jiān)測法等4種[10]。其中，KJ216B在線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)(礦壓監(jiān)測一體)共2套，分別安裝在0253和Y394采煤工作面；電磁輻射監(jiān)測儀3套，鉆屑法施工鉆機40臺套以上。

應(yīng)力在線監(jiān)測法：應(yīng)力在線監(jiān)測采用KJ216B監(jiān)測系統(tǒng)，與工作面支架阻力和頂?shù)装逡平恳惑w化監(jiān)測。Y394工作面風道布置17組測點共34只圍巖應(yīng)力傳感器，溜子道布置15組測點共30只圍巖應(yīng)力傳感器。0253工作面風道布置1組測點共2只圍巖應(yīng)力傳感器，溜子道布置1組測點共2只圍巖應(yīng)力傳感器。

監(jiān)測預警：礦井配備了ARAMIS M/E、KJ768微震監(jiān)測系統(tǒng)、KJ216B在線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)(礦壓監(jiān)測一體化)、YDD16和KBD5電磁輻射儀等，制定了沖擊地壓危險性監(jiān)測制度、監(jiān)測預警臨界指標及處置措施、調(diào)度處置制度和預警處理結(jié)果反饋制度等，為沖擊地壓區(qū)域和局部聯(lián)合監(jiān)測預警奠定了基礎(chǔ)。

卸壓解危治理：在沖擊危險性評價和防沖設(shè)計報告的基礎(chǔ)上，對礦井中等及以上沖擊危險區(qū)域進行了卸壓治理，主要采用煤層卸載爆破卸壓。

卸壓治理效果檢驗：在對中等及以上沖擊危險區(qū)域?qū)嵤┍菩秹褐卫砗螅捎勉@屑法進行檢驗，對超過鉆屑量臨界值的區(qū)域進行二次卸載爆破治理，并采用鉆屑法檢驗確認消除沖擊危險。

2.2 沖擊地壓解危措施

煤層大直徑鉆孔卸壓：大直徑鉆孔卸壓是利用鉆孔方法消除或減緩應(yīng)力顯現(xiàn)危險的解危措施[11]。此法基于施工鉆屑法鉆孔時產(chǎn)生的鉆孔沖擊現(xiàn)象。鉆進愈接近高應(yīng)力帶，由于煤體積聚能量愈多，鉆孔沖擊頻度越高，強度也越大，但鉆孔沖擊時煤粉量顯著增多。因此每一個鉆孔周圍形成一定的破碎區(qū)，當這些破碎區(qū)互相接近后，便能使煤層破裂卸壓。鉆孔卸壓的實質(zhì)是利用高應(yīng)力條件下，煤層中積聚的彈性能來破壞鉆孔周圍的煤體，使煤層卸壓、釋放能量，消除沖擊危險。

煤層深孔爆破卸壓：煤層深孔爆破卸壓是對具有應(yīng)力顯現(xiàn)危險的局部區(qū)域，用爆破方法減緩其應(yīng)力集中程度的一種解危措施[12-15]。通過鉆屑法檢測煤體的應(yīng)力情況，如果煤粉量超過規(guī)定的指標，則認為該位置具有沖擊危險。通過多個煤粉鉆孔，圈定已形成沖擊危險的區(qū)域。在確認已形成沖擊危險的區(qū)域，以一定的爆破參數(shù)實施卸載爆破。在卸載爆破后，采用煤粉鉆孔等方法在爆破孔周圍一定區(qū)域內(nèi)檢測爆破的卸載效果(或事先埋設(shè)鉆孔應(yīng)力計)。如果煤粉量指標低于沖擊危險值，即認為煤層已達到了卸載的效果，否則說明煤層仍具有沖擊危險，應(yīng)實施二次卸載爆破。

3 結(jié)語

個體防護措施在沖擊地壓防治過程中應(yīng)時刻落實到位。在強沖擊危險區(qū)的人員，必須配戴好防沖頭盔、穿防護服，戴隔離式自救器，兩順保持壓風管路正常供風，并按要求安設(shè)壓風自救裝置。除采取上述優(yōu)化措施外，沖擊地壓危險區(qū)應(yīng)加強支護，即傾角大于25°煤層的巷道上幫增加錨索支護；加強沖擊危險區(qū)域巷道圍巖加密打設(shè)U型棚支護，巷道高幫增加錨索支護。唐山煤礦目前暫定綜放工作面推采速度不大于3.5 m/d，停采前150 m開始，并根據(jù)微震法、鉆屑法、應(yīng)力法等的監(jiān)測結(jié)果，合理調(diào)整工作面的推采速度。