姚橋煤礦7013 工作面沖擊地壓防治技術(shù)研究

王登高

（中煤集團(tuán)大屯公司姚橋煤礦，江蘇 沛縣 221611）

沖擊地壓是指煤巖體霎時被破壞并伴隨著大量能量釋放的一種動力現(xiàn)象，常伴隨著煤巖體移動、飛出、轟鳴及氣浪等現(xiàn)象，具有突發(fā)性、瞬時破壞性，極易造成重大人員傷亡事故[1-4]。

目前，姚橋煤礦正在作業(yè)的中央采區(qū)開采深度達(dá)到900 m，應(yīng)力較高，該礦也多次發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)。正在開采7013 工作面受臨近工作面不規(guī)則遺留煤柱及下山孤島煤柱影響，沖擊危險性較高。因此制定合理的卸壓措施并進(jìn)行效果檢驗(yàn)，有效降低7013 工作面沖擊地壓發(fā)生的危險性[5]。

1 工程概況

姚橋煤礦其中央采區(qū)開采上限為-650 m，下限為-850 m，走向長度2080～2920 m，平均為2435 m，傾向?qū)挾?150 m。7013工作面走向長度約為1170 m，傾向長度約為190 m，工作面標(biāo)高-826.3～ -876.3 m，煤層主要以7 煤為主。工作面內(nèi)斷層較多，且落差較大。

7013 工作面臨近7011 采空區(qū)，以中央采區(qū)下山煤柱為界與7010 工作面相望。7013 工作面受開采布局影響，初采階段工作面局部應(yīng)力集中程度可能較高，存在一定的沖擊地壓危險[6]。

2 工作面多因素耦合評價及危險區(qū)域劃分

7013 工作面影響沖擊地壓危險的主要因素有：斷層、煤柱、初次來壓、工作面“見方”等。根據(jù)這些主要影響因素對工作面沖擊危險進(jìn)行分級分區(qū)[7-9]，最終按照沖擊危險多因素疊加原則對上述各因素劃分的危險區(qū)域和等級進(jìn)行疊加，確定工作面采掘期間的危險區(qū)域及危險等級。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造影響

工作面地質(zhì)構(gòu)造是誘發(fā)沖擊地壓的主要因素之一，在斷層附近會造成煤巖局部應(yīng)力集中，從而可能發(fā)生沖擊地壓。實(shí)踐表明，當(dāng)工作面臨近斷層布置，會在工作面和斷層間的煤柱形成較高的應(yīng)力集中，從而積聚大量的彈性能，并且隨著工作面布置與斷層距離的減小，積聚的能量不斷增加，沖擊地壓的危險性也就越大。

7013 工作面落差大于5 m 的斷層主要有4 條，主要分布在材料道和切眼附近。在溜子道中部與巷道斜交的f278～f280 斷層，落差均在4 m 左右。由于斷層分布比較集中，因此將落差小于10 m 的斷層前后20 m 巷道范圍劃分為強(qiáng)沖擊危險區(qū)域，落差大于10 m 的斷層前后30 m 巷道范圍劃分為強(qiáng)沖擊危險區(qū)域。

2.2 煤柱影響

7013 工作面受煤柱影響區(qū)域主要表現(xiàn)在兩方面：一方面是受上區(qū)段殘留煤柱的影響，另一方面是下山孤島煤柱的影響。

2.3 巷道交叉影響

在巷道轉(zhuǎn)彎、交叉位置容易形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生大量震動，是容易發(fā)生沖擊礦壓事故的區(qū)域。這些區(qū)域易出現(xiàn)高能量的礦震，而高能量礦震的發(fā)生反映了較高的應(yīng)力集中水平，沖擊危險性較大，會對工作面回采產(chǎn)生一定的影響。7013 工作面溜子道與中央Ⅱ采區(qū)軌道下山和皮帶下山相互貫通，在巷道轉(zhuǎn)彎、交叉位置容易形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生大量震動，是容易發(fā)生沖擊地壓事故的區(qū)域。

2.4 停采線處超前支承壓力影響

停采線附近區(qū)域影響沖擊危險程度的重要因素是停采線是否對齊。由于停采線不對齊，下山孤島煤柱不規(guī)整，存在多處拐角，局部煤體應(yīng)力集中程度可能更高，在工作面回采后期較易發(fā)生沖擊危險。

當(dāng)回采至設(shè)計(jì)停采線時，7013 工作面前方兩巷將受到超前支承壓力的影響，產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中區(qū)，因此將停采線前方工作面兩巷前50 m 范圍劃分為強(qiáng)沖擊危險區(qū)域。

2.5 工作面覆巖運(yùn)動影響

（1）初次來壓

根據(jù)工作面實(shí)際回采經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)基本頂初次來壓步距為30 m 左右，我們將基本頂初次來壓材料道前后20 m 范圍劃分為強(qiáng)沖擊危險，溜子道劃分為中等沖擊危險，并加強(qiáng)頂板支護(hù)，提高支架初撐力。

（2）工作面“見方”階段

在這個階段，工作面沖擊危險性較高。受7013工作面開切眼外寬度130 m的煤柱結(jié)構(gòu)影響，“見方”階段具有一定的不確定性，考慮到“見方”的不確定性因素，劃定材料道前后50 m 范圍為強(qiáng)沖擊危險區(qū)域，溜子道前后50 m范圍為中等沖擊危險區(qū)域。

2.6 回采階段沖擊危險區(qū)多因素疊加結(jié)果

通過沖擊危險區(qū)的多因素疊加，考慮到7013工作面溜子道較材料道應(yīng)力集中程度降低，故應(yīng)力疊加情況根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，疊加后得到該工作面回采階段沖擊危險區(qū)域等級劃分結(jié)果如圖1[5]。

圖1 7013 工作面回采期間沖擊危險多因素疊加結(jié)果

3 沖擊地壓卸壓措施

根據(jù)7013 工作面斷層群及不規(guī)則遺留煤柱影響區(qū)域的沖擊地壓發(fā)生特征與機(jī)理，從預(yù)卸壓和主動解危兩個方面提出指向性的局部防沖措施，可逐級使用大直徑鉆孔卸壓、頂板預(yù)裂爆破、煤體卸壓爆破、煤層注水等方法。

3.1 煤體大直徑鉆孔卸壓

為了降低煤巖體內(nèi)的高應(yīng)力，使用煤體大直徑鉆孔卸壓措施。大直徑鉆孔卸壓一般用于掘進(jìn)迎頭和采煤工作面巷道煤幫超前卸壓，通過施工卸壓鉆孔，降低煤巖體應(yīng)力集中程度，鉆孔具體布置參數(shù)根據(jù)劃分的沖擊危險強(qiáng)度。中等危險區(qū)域：巷道每隔2～3 m 實(shí)施一個大直徑鉆孔，鉆孔垂直于實(shí)體煤幫，距離底板1.0～1.6 m，大直徑鉆孔孔徑150 mm，孔深為20 m?；夭善陂g大直徑卸壓鉆孔位置與掘進(jìn)期間卸壓鉆孔位置錯開實(shí)施，施工時應(yīng)避免鉆入頂?shù)装鍘r層。強(qiáng)沖擊危險區(qū)域：巷道每隔1～1.5 m 實(shí)施一個大直徑鉆孔，其他布置參數(shù)同中等危險區(qū)域。

若鉆屑法等檢驗(yàn)超標(biāo)，實(shí)施解危處理。鉆孔參數(shù)：孔徑150 mm，孔深25 m，在預(yù)卸壓孔中間進(jìn)行加密卸壓，孔間距不大于1 m，卸壓范圍為異常區(qū)域前后10 m，垂直巷道走向、平行于煤層層面進(jìn)行施工。如果鉆孔卸壓效果不理想，則進(jìn)行卸壓爆破，直到符合防沖要求為止。鉆孔布置圖如圖2所示。

圖2 大直徑鉆孔布置圖

3.2 頂板深孔爆破

在工作面回采期間通過低位關(guān)鍵層的深孔爆破解危可提高煤巖傳遞介質(zhì)的能量衰減系數(shù)，從而降低上覆關(guān)鍵層破斷誘發(fā)工作面沖擊地壓的可能性。

對7013 材料道劃分強(qiáng)沖擊危險區(qū)域施工頂板深孔預(yù)裂爆破，爆破孔應(yīng)超前工作面200 m，由切眼向外，沿7013 工作面每隔10 m 布置一個鉆孔。鉆孔炮眼深度28 m，與水平方向成60°，夾角朝向工作面實(shí)體煤側(cè)，裝藥量為40 kg，裝藥長度為10 m，封孔長度為14 m。其鉆孔平面圖如圖3。

圖3 7013 工作面鉆孔布置平面示意圖

4 效果檢驗(yàn)

效果檢驗(yàn)的方法主要有鉆屑法、微震法、應(yīng)力監(jiān)測法等[9]。弱沖擊危險區(qū)域解危效果可采用鉆屑法檢驗(yàn)，中等或強(qiáng)沖擊危險工作區(qū)域解危效果檢驗(yàn)辦法應(yīng)不少于2 種。直到檢驗(yàn)結(jié)果均小于臨界值，則解危區(qū)域的沖擊危險性得到消除。

7013 工作面2019 年9 月17 日對材料道斷層群區(qū)域?qū)嵤┝隧敯灞拼胧?，工作面解危后鉆屑監(jiān)測煤粉變化量如圖4，卸壓前后沖擊能指數(shù)分別如圖5 和圖6 所示。

圖4 7013 工作面解危后煤粉量變化圖（材料道斷層群）

圖5 9 月17 日頂板爆破前沖擊能指數(shù)圖

圖6 9 月17 日頂板爆破后沖擊能指數(shù)圖

2020 年2 月19 日對7013 工作面溜子道停采線區(qū)域?qū)嵤┝藥筒啃秹捍胧ぷ髅娼馕：筱@屑法監(jiān)測煤粉變化量如圖7，卸壓前后沖擊能指數(shù)分別如圖8 和圖9 所示。

圖7 7013 工作面解危后煤粉量變化圖（溜子道停采線）

圖8 2020 年2 月19 日幫部卸壓前沖擊能指數(shù)圖

圖9 2020 年2 月19 日幫部卸壓后沖擊能指數(shù)圖

通過對7013 工作面卸壓前后沖擊能指數(shù)的對比和煤粉量變化，可以看到在實(shí)施頂板爆破和幫部卸壓措施后，沖擊危險性從強(qiáng)沖擊危險降低到弱沖擊危險，鉆屑煤粉量均低于臨界值，說明7013 工作面卸壓措施可以起到釋放煤巖體中積聚的大量彈性能的作用，具有較好的卸壓效果。

5 結(jié)語

（1）運(yùn)用多因素耦合分析法對7013 工作面區(qū)域內(nèi)各個地段進(jìn)行分區(qū)分級預(yù)測，主要分析各地段沖擊地壓危險的影響因素，根據(jù)各地段的實(shí)際情況和影響因素進(jìn)行危險等級劃分，疊加各個因素的危險等級，根據(jù)疊加結(jié)果預(yù)測7013 工作面的沖擊危險等級。

（2）根據(jù)工作面不同分區(qū)，制定了相應(yīng)的逐級采用大直徑鉆孔卸壓、頂板預(yù)裂爆破的工作面卸壓方案。由工作面卸壓前后沖擊能指數(shù)的對比和鉆屑監(jiān)測結(jié)果可知，卸壓方案對7013 工作面沖擊地壓防治起到良好的卸壓效果。