沖擊地壓防治“七模塊”技術(shù)體系與裝備及其應(yīng)用

雒 軍 莉

（兗礦新疆礦業(yè)有限公司硫磺溝煤礦，新疆 昌吉831100）

1 概 況

硫磺溝煤礦可采煤層均具有沖擊危險(xiǎn)性，在掘進(jìn)工作面生產(chǎn)期間礦井可采取的手段僅由鉆屑法及動(dòng)力現(xiàn)象顯現(xiàn)觀測(cè)，都是人為進(jìn)行監(jiān)測(cè)、觀測(cè)，存在較大的誤差性，在未監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊危險(xiǎn)時(shí)也多次發(fā)生了動(dòng)力事故。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于工作面快速掘進(jìn)，煤巖體內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的不均勻性和煤體應(yīng)力分布的不均衡性，會(huì)使工作面前方煤體內(nèi)集聚的應(yīng)力來(lái)不及充分釋放，新揭露的煤體處于劇烈的應(yīng)力變化狀態(tài)中，致使煤體容易發(fā)生沖擊失穩(wěn)的動(dòng)力災(zāi)害，而礦監(jiān)控手段較為單一，缺少具有可靠的、可操作性的監(jiān)控預(yù)警體系。因此，在開(kāi)采沖擊地壓煤層時(shí)需進(jìn)一步掌握發(fā)生機(jī)理以及監(jiān)測(cè)手段。

2 詳細(xì)的技術(shù)推先內(nèi)容

2.1 圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的沖擊地壓機(jī)理

通過(guò)分析采深、地層結(jié)構(gòu)、煤層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采方法和邊界條件對(duì)沖擊地壓的影響，揭示了煤礦深部開(kāi)采存在2 類8 種誘發(fā)沖擊地壓的外部力源；通過(guò)分析深部巷道變形破壞形態(tài)，提出了煤礦深部開(kāi)采過(guò)程中存在10 種易發(fā)生沖擊地壓的巷道圍巖結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)煤礦深部開(kāi)采具備發(fā)生沖擊的外部力源條件和存在沖擊傾向性圍巖結(jié)構(gòu)時(shí)，外部力源將驅(qū)動(dòng)圍巖結(jié)構(gòu)易沖擊的部位向采掘空間或巷道內(nèi)沖擊?；谕獠苛υ打?qū)動(dòng)圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生沖擊地壓的過(guò)程，提出了基于外部力源與圍巖結(jié)構(gòu)相互作用及圍巖整體與局部穩(wěn)定性綜合判別的沖擊地壓工程分類方法，其流程如圖2 所示。采用該分類方法，識(shí)別主導(dǎo)力源類型及沖擊災(zāi)害形式，為有針對(duì)性進(jìn)行沖擊地壓預(yù)測(cè)、預(yù)警與分類治理提供了理論基礎(chǔ)。

圖1 力源與圍巖典型結(jié)構(gòu)

圖2 沖擊地壓工程分類流程

2.2 開(kāi)采覆巖載荷三帶沖擊應(yīng)力的計(jì)算方法

采動(dòng)應(yīng)力是誘發(fā)沖擊的主體力源。與傳統(tǒng)的反映覆巖運(yùn)動(dòng)變形破壞形式的“上三帶”模型不同，建立了以表達(dá)采動(dòng)應(yīng)力動(dòng)態(tài)傳遞的深部煤層覆巖“載荷三帶”模型，將上覆巖層組

劃分為“即時(shí)加載帶”、“延時(shí)加載帶”和“靜載帶”（見(jiàn)圖3）。其中，即時(shí)加載帶是隨采隨動(dòng)并形成承載結(jié)構(gòu)的巖層組，包括直接頂、基本頂及其上方的部分巖層。隨著采場(chǎng)推進(jìn)其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力快速顯現(xiàn)于近工作面煤體，從而誘發(fā)沖擊；延時(shí)加載帶是指位于即時(shí)加載帶上方、隨采場(chǎng)推進(jìn)需要較長(zhǎng)一段時(shí)間才逐步發(fā)生離層和斷裂的巖層組，其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力緩慢顯現(xiàn)于“拱腳”附近且易誘發(fā)沖擊；靜載帶是指位于延時(shí)加載帶上方直至地表、受采動(dòng)影響較小且?guī)缀跻造o載方式作用于采場(chǎng)圍巖的巖層組。該結(jié)構(gòu)模型揭示了外部力源驅(qū)動(dòng)圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生沖擊的動(dòng)應(yīng)力作用機(jī)制。

圖3 深部開(kāi)采覆巖“載荷三帶”模型

2.3 精準(zhǔn)化預(yù)測(cè)方法、預(yù)警技術(shù)與裝備

2.3.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警方式

根據(jù)硫磺溝煤礦沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理研究，針對(duì)掘進(jìn)工作面，掘進(jìn)工作面在迎頭（易發(fā)生沖擊性冒頂）及后方（漸進(jìn)性蠕變型沖擊）均存在沖擊危險(xiǎn)，掘進(jìn)迎頭主要以大直徑鉆孔卸壓為主，掘進(jìn)后方采取卸壓措施后仍需對(duì)圍巖應(yīng)力和震動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)掘進(jìn)巷道沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。因此，提出了對(duì)巷道開(kāi)挖后周圍圍巖應(yīng)力變化情況、支護(hù)錨桿（索）載荷變化情況以及圍巖震動(dòng)情況等進(jìn)行綜合預(yù)警。

KJ615 型煤礦沖擊地壓無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在掘進(jìn)工作面沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的基礎(chǔ)上提出的。該系統(tǒng)基于以太網(wǎng)、無(wú)線傳輸、光纖傳輸技術(shù)，建立掘進(jìn)工作面多參量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能預(yù)警和分析平臺(tái)，對(duì)工作面地音信號(hào)、煤巖體應(yīng)力、錨桿錨索應(yīng)力等多參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性的綜合預(yù)警。

依據(jù)圍巖應(yīng)力與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的耦合信息，可劃分三個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域：

1）迎頭區(qū)：塑性變形區(qū)，掘進(jìn)頭前方15m 到后方10m，約25m 范圍。

2）后動(dòng)壓區(qū)：塑性變形區(qū)，掘進(jìn)頭后方10m 到后方60m，約50m 范圍。

3）監(jiān)測(cè)參量：圍巖破裂場(chǎng)（震動(dòng)）、應(yīng)力場(chǎng)、支護(hù)力；

4）監(jiān)測(cè)目標(biāo)：掘進(jìn)擾動(dòng)后圍巖塑性變形對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的破壞程度（破裂場(chǎng)），側(cè)向支承壓力變化趨勢(shì)及危險(xiǎn)程度（應(yīng)力場(chǎng)），支護(hù)的有效性及其穩(wěn)定性（支護(hù)力）。

5）高應(yīng)力蠕變區(qū)：塑性平衡區(qū)，掘進(jìn)頭后方60m到后方260m，約200m 范圍。

6）監(jiān)測(cè)參量：圍巖破裂場(chǎng)（震動(dòng)）、應(yīng)力場(chǎng)、支護(hù)力

7）監(jiān)測(cè)目標(biāo)：圍巖結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)耦合作用后，在應(yīng)力環(huán)境下是否發(fā)生高應(yīng)力蠕變，蠕變后的側(cè)向支承壓力變化趨勢(shì)及危險(xiǎn)程度（應(yīng)力場(chǎng)），支護(hù)力的有效性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)（支護(hù)力）。

圖4 掘進(jìn)巷道監(jiān)測(cè)區(qū)域剖面圖

2.3.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警布置

煤礦沖擊地壓無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從硬件上分為地音模塊、無(wú)線應(yīng)力模塊、支護(hù)應(yīng)力模塊三個(gè)子系統(tǒng)。

1）應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置方案。應(yīng)力測(cè)點(diǎn)間距為25±5m/組，布置在巷道上幫，監(jiān)測(cè)范圍為迎頭向后200m 范圍內(nèi)，沿煤層傾角施工，鉆孔終孔位置位于煤層中。隨著掘進(jìn)工作面向前推進(jìn)，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行移組，推進(jìn)25±5m 后，重新施工一組，實(shí)現(xiàn)循環(huán)監(jiān)測(cè)（根據(jù)工作面掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)際情況，測(cè)點(diǎn)間距可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，測(cè)點(diǎn)間距控制在15～25m±5m。應(yīng)力計(jì)安裝深度深孔為14m，淺孔為8m。

圖5 巷道應(yīng)力計(jì)布置剖面圖

2）地音監(jiān)測(cè)布置方案。共布置6 個(gè)地音測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距50m，最前方測(cè)點(diǎn)距迎頭不應(yīng)超過(guò)50m。監(jiān)測(cè)范圍為迎頭向后300m 范圍，測(cè)點(diǎn)布置在巷道頂板位置。3）錨桿（索）監(jiān)測(cè)布置方案

共布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)站間距50m，最前方測(cè)點(diǎn)距迎頭不應(yīng)超過(guò)50m。監(jiān)測(cè)范圍為迎頭向后300m 范圍，測(cè)站布置在巷道頂板位置，每個(gè)測(cè)站布置錨桿、錨索測(cè)點(diǎn)各1 個(gè)，使用支護(hù)錨桿（索）或重新施工。

3 實(shí)際應(yīng)用效果及推廣情況

以往開(kāi)采期間因沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)導(dǎo)致全礦采掘工程停工停產(chǎn)，通過(guò)應(yīng)用特厚煤層開(kāi)采沖擊地壓防治技術(shù)，合理設(shè)計(jì)采掘布局和生產(chǎn)接續(xù)，編制防沖規(guī)劃、防沖設(shè)計(jì)等，有針對(duì)性開(kāi)展監(jiān)測(cè)預(yù)警與卸壓解危，應(yīng)用掘進(jìn)工作面沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)等沖擊地壓防治裝備，對(duì)沖擊地壓災(zāi)害進(jìn)行了有效治理，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

4 經(jīng)濟(jì)效益

安全采出受沖擊地壓威脅的煤炭132 萬(wàn)t，按照噸煤平均售價(jià)135 元/t，噸煤平均成本113 元/t 計(jì)算。132 萬(wàn)t×135 元/t=17 820 萬(wàn)元，新增利潤(rùn)：132萬(wàn)t×（135-113）元/t×83%=2 410 萬(wàn)元；新增稅收：132 萬(wàn)t×(135-113)元/t×17%=494 萬(wàn)元。

5 總 結(jié)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施構(gòu)建了煤礦開(kāi)采沖擊地壓防治“七模塊”技術(shù)體系，通過(guò)實(shí)施涵蓋“分類、評(píng)價(jià)、解危、監(jiān)測(cè)、檢驗(yàn)、支護(hù)、管理”的“七模塊”防沖技術(shù)體系，提高了煤礦沖擊地壓防治的針對(duì)性，實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓的分類分治，有效解決了巨厚硬巖地層、巨厚表土地層、條帶開(kāi)采、孤島開(kāi)采和巨厚復(fù)合煤層開(kāi)采等復(fù)雜開(kāi)采條件下的防沖難題。