大平煤業(yè)井下巷道降低沖擊地壓方案的研究

薛朝云

（山西大平煤業(yè)有限公司，山西 襄垣 046200）

大平煤業(yè)有限公司位于山西省長治市，是集煤炭開采和銷售于一體的綜合性煤炭生產(chǎn)企業(yè)。7712綜采面為2018 年新投入的一個開采面，煤層的平均厚度為6.3 m，平均傾角為3.1°。煤層結(jié)構(gòu)復雜，一般含夾石 2～4 層，L34 號孔多達6 層。夾石單層厚度一般不大于0.70 m，局部地段增厚達3.47 m。夾石巖性一般為泥巖、砂質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖，礦井開拓方式為立井單水平（+965 m 水平）開拓，采煤方法為走向長壁式綜放開采，自然垮落法管理頂板。該綜采面井巷開挖過程中，受沖擊地壓影響大，頻繁出現(xiàn)巷道垮塌、圍巖垮落現(xiàn)象，給煤礦井下的綜采作業(yè)安全造成了極大的隱患[1]。為了提升對井下沖擊地壓的控制效果，提升綜采作業(yè)的安全性，大平煤業(yè)成立了改善小組，在對井下巷道沖擊地壓發(fā)生原因進行分析的基礎上，針對性地提出了巷道沖擊地壓的綜合控制方案，包括建立沖擊地壓監(jiān)測預警系統(tǒng)、大直徑鉆孔泄壓及爆破泄壓，取得了極好的控制效果，顯著提升了大平煤業(yè)井下綜采作業(yè)的安全性和效率，具有極大的應用推廣價值。

1 大平煤業(yè)井下巷道沖擊地壓發(fā)生原因及分類

7712 綜采面沖擊地壓發(fā)生的主要原因是綜采作業(yè)過程中在各種擾動作用下原來處于平衡狀態(tài)下的巖體結(jié)構(gòu)遭到了破壞，使內(nèi)部積聚的應力被突然釋放出來導致的。根據(jù)發(fā)生因素的不同，將7712 綜采面的沖擊地壓分為材料失穩(wěn)型、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型、滑移錯位型沖擊地壓。

7712 綜采面材料失穩(wěn)型沖擊地壓占比約13.6%，主要發(fā)生在井下綜采作業(yè)面掘進的過程中。當煤巖內(nèi)的應力積聚到巖體可承受的極限后，煤巖內(nèi)部自行產(chǎn)生裂紋，且隨著綜采作業(yè)的進行，裂紋不斷地擴大、加深，當巖層內(nèi)部破碎到一定程度后就會導致巖體在一定范圍內(nèi)的垮落。其垮落結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。

7712 綜采面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊地壓占比約78%，主要發(fā)生在綜采過程的中期，是指隨著機械沖擊、擾動或者是采空區(qū)域頂板大面積的懸空出現(xiàn)垮落以及在其他不穩(wěn)定因素作用下導致的井下圍巖、煤柱出現(xiàn)垮塌而導致的失穩(wěn)。該類型的失穩(wěn)產(chǎn)生的危害性較大。其垮落結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。

712 綜采面滑移錯位型沖擊地壓占比約8.4%，主要發(fā)生在綜采作業(yè)的后期，是指在各類型的沖擊、擾動作用下不同煤層區(qū)域的煤巖的材料特性不同而導致的出現(xiàn)煤層錯位滑移、沖擊。其垮落結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示[2]。

根據(jù)對7712 綜采面2017 年以來沖擊地壓發(fā)生類型的分析，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型的沖擊地壓發(fā)生次數(shù)占據(jù)了全部沖擊地壓異常的78%以上。因此大平煤業(yè)主要針對該類別沖擊地壓的控制方案進行了研究，并建立了沖擊地壓預警監(jiān)測體系及泄壓控制方案。

圖1 不同沖擊地壓形成原因示意圖

2 沖擊地壓監(jiān)測預警系統(tǒng)

為了對礦壓沖擊情況進行及時監(jiān)測和處理，大平煤業(yè)建立了煤礦井下沖擊地壓監(jiān)測預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用以PLC 控制模塊為核心的監(jiān)測分析單元，利用分布在綜采面區(qū)域的震動傳感器對綜采作業(yè)過程中的微小沖擊情況進行監(jiān)測，能夠滿足對超過100 J 的能力監(jiān)測。當沖擊地壓超過系統(tǒng)設定的安全值時，將自動發(fā)出報警并對沖擊地壓波動區(qū)域進行標定。

該系統(tǒng)的工作原理在于采用了高敏感度的振動傳感器。實際工作時將該振動傳感器設置在井下巷道不同的監(jiān)測區(qū)域，能夠?qū)崟r對區(qū)域內(nèi)的礦壓波動情況進行監(jiān)測，滿足井下監(jiān)測靈敏性需求。礦壓波動傳感器將監(jiān)測到的礦壓波動情況轉(zhuǎn)換為電流信號，傳輸?shù)絇LC 控制中心。PLC 控制模塊對監(jiān)測到的電流值進行對比分析，判斷其是否超過了系統(tǒng)設定的上限電流值。若超限則開始進行報警，便于作業(yè)人員對井下巷道支護結(jié)構(gòu)進行檢查，確保井下支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

根據(jù)在綜采作業(yè)過程中沖擊能量的變化情況，可將大平煤業(yè)井下沖擊地壓監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測預警分為四個狀態(tài)[3]，各個狀態(tài)所對應的能量分布如表1 所示。

表1 各個警戒狀態(tài)等級分類

3 大直徑鉆孔泄壓及打孔爆破泄壓

為了降低地壓沖擊對綜采作業(yè)過程的影響，確保井下綜采作業(yè)的安全性，需要對井下巖層進行預處理，降低巖層內(nèi)的應力集中。根據(jù)實際應用情況，大平煤業(yè)在井下7712 綜采面采用了井下大直徑鉆孔泄壓和打孔爆破泄壓的方案。

大直徑鉆孔泄壓采用在應力集中區(qū)域進行鉆孔的方式來使巖層內(nèi)的應力集中釋放出來，消除綜采作業(yè)過程中巖層受力開裂的隱患。根據(jù)7712 綜采面的實際情況，其煤層結(jié)構(gòu)較為復雜，煤矸石層較多，因此自進行大直徑鉆孔泄壓時，在鉆進面上設置7 組鉆孔，每組鉆孔的直徑為130 mm，鉆孔的深度約為50 m，各個泄壓孔之間的距離不小于2000 mm，鉆進過程中各個泄壓孔需要始終確保在采區(qū)超前50 m 處的泄壓范圍內(nèi)。在鉆進的過程中如果出現(xiàn)鉆機的抖動說明遇到了較為明顯的應力釋放，此時需要將鉆機的鉆桿抽出，待穩(wěn)壓后再繼續(xù)鉆機作業(yè)。

打孔爆破泄壓主要是指在不便于進行鉆孔泄壓，或者應力集中區(qū)域較深，鉆孔無法達到的區(qū)域內(nèi)設置爆破孔，在孔內(nèi)填充爆破藥，進行爆破的方式來釋放巖層內(nèi)的壓力。7712 綜采面在設置大直徑鉆孔泄壓后，在巖層厚度大、結(jié)構(gòu)強的地方，需進行爆破泄壓，確保能夠有效地對沖擊地壓進行控制。爆破孔的直徑設置為42 mm，各個爆破孔和巖壁垂直，孔深約為10 m，各個爆破孔之間的距離設置為2000 mm，內(nèi)設的爆破藥量需要根據(jù)爆破需求合理設置。為了確保爆破效果，每個孔內(nèi)的炸藥需采用“孔內(nèi)串聯(lián)”的方式進行，設置2 組起爆導火索。爆破孔內(nèi)的裝藥結(jié)構(gòu)如圖2 所示[4]。

圖2 爆破孔內(nèi)裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

通過在大平煤業(yè)建立井下沖擊地壓監(jiān)測預警系統(tǒng)及實施大直徑鉆孔泄壓及打孔爆破泄壓，一方面能夠及時地對沖擊地壓發(fā)生的情況進行預警，提高井下綜采作業(yè)的安全性；另一方面通過采用大直徑鉆孔泄壓及打孔爆破泄壓的方案，主動對巖層內(nèi)的壓力進行釋放，降低了在沖擊地壓沖擊下發(fā)生垮塌事故的概率。自該綜合控制方案在大平煤業(yè)應用以來，井下未發(fā)生因沖擊地壓導致的生產(chǎn)事故，極大地提升了井下綜采作業(yè)的安全性。

4 結(jié)論

針對大平煤業(yè)7712 綜采面在沖擊地壓的作用下極易引起頂板垮落、圍巖坍塌，造成嚴重的井下安全生產(chǎn)事故的現(xiàn)狀，本文在對復雜煤層條件下的巷道沖擊地壓的分類和發(fā)生原因進行分析的基礎上，提出了巷道沖擊地壓的綜合控制方案，根據(jù)實際分析表明：

（1）7712 綜采面礦壓沖擊主要包括材料失穩(wěn)型、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型、滑移錯位型沖擊地壓，其中結(jié)構(gòu)型失穩(wěn)產(chǎn)生的危害性較大，在綜采作業(yè)過程中也最容易發(fā)生。

（2）根據(jù)在綜采作業(yè)過程中沖擊能量的變化情況，可將監(jiān)測預警系統(tǒng)的監(jiān)測預警分為四個狀態(tài)，不同狀態(tài)對應不同的警戒等級，能夠顯著提升對礦壓沖擊影響的監(jiān)測效果。

（3）采用井下大直徑鉆孔泄壓和打孔爆破泄壓的方案能夠有效地降低沖擊地壓產(chǎn)生的概率。