采煤工作面沖擊地壓綜合治理技術(shù)探究

陳世銀

（國能新疆寬溝礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆昌吉 831215）

1 前言

多維構(gòu)型下的煤礦安全生產(chǎn)必須在技術(shù)引領(lǐng)、方案預(yù)警引領(lǐng)、安全物質(zhì)引領(lǐng)的多位一體道路上進(jìn)行保護(hù)。但是傳統(tǒng)的地質(zhì)危害預(yù)控與前期勘探信息分析必不可少。以異常地質(zhì)影響為代表的沖擊地壓是礦井事故的關(guān)鍵。其井巷中或者周圍的煤巖體因?yàn)楫惓５刭|(zhì)應(yīng)力、外界情況擾動(dòng)和上覆巖層坍塌為代表的沖擊地壓危害，時(shí)刻危及著煤礦開采工作人員的安全和生命。當(dāng)前的煤礦開采工程已經(jīng)邁入大掘進(jìn)量的快速機(jī)械化開采方式，這種工藝隨之而來的就是更為劇烈的圍巖應(yīng)力釋放。[1]所以必須在掘進(jìn)工藝設(shè)計(jì)和多維導(dǎo)向的復(fù)雜地質(zhì)預(yù)控方面做足研究，確保本質(zhì)安全。

2 I010203 工作面情況簡介

I010203 工作面構(gòu)型簡單，位置大概在采區(qū)西翼B2 煤層中，東面位置的III 號(hào)勘探線上大約在130 米的位置存在遮擋，西面以I 號(hào)勘探線以西75m 處為界。多維測量的南面距離井田邊界182-52m。精細(xì)測定下的煤礦開采工作面下方位置順槽水平方向上的標(biāo)高大致有+1321 米～+1327 米的區(qū)間距離，在煤礦工作面上順槽的水平方向上標(biāo)高數(shù)據(jù)是+1365 米～+1375 米，經(jīng)過角度測量儀器的測量，順槽方向的方位角度測量數(shù)據(jù)是291°；煤礦工作面和地面之間所測量標(biāo)注的高度是+1660 米～+1820 米。

煤礦開采工作面煤層所表現(xiàn)出來的方向大約是104-110之間的角度。通過對當(dāng)前所勘測到的地質(zhì)資料進(jìn)行分析可以知道：煤礦中煤層的大致走向和頂?shù)装逅@示的標(biāo)注高度變化趨勢比較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有9 個(gè)斷層，其中3 個(gè)斷層對采礦有重大影響。其他煤層之間的距離相差很小，最大的地方也不夠1 米，不會(huì)影響到煤礦的正常開采。此外，煤層中存在較多的褶皺結(jié)構(gòu)和破碎區(qū)，會(huì)影響工作。[2]

巷道布置依據(jù):為減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)，礦方將I010203 下順槽開口位置定在I010201 上順槽以南15m；礦方將上順槽開口位置定在下順槽以南186.6m 處；工藝巷在下順槽以南93m處；I010203 開切巷布置在上方B4 煤層實(shí)體區(qū)，停采線位置依據(jù)風(fēng)井保護(hù)煤柱(巖石走向跨落角按67°計(jì)算)及西翼B41運(yùn)輸上山保護(hù)煤柱確定，距I010203 下順槽開口80m。

采煤方法：根據(jù)《寬溝煤礦B2 煤層綜放開采可行性研究報(bào)告》中P102“B2 煤層適合采用綜放開采”，結(jié)合實(shí)際情況決定采取基于走向長臂的后退式的綜采放頂煤開采技術(shù)。開采煤層厚度為9.5m，其中機(jī)采高度為3.2m，放頂煤高度為6.3m。落煤方式：采煤機(jī)割煤和液壓支架尾梁、插板伸縮擺動(dòng)低位放頂煤，通過工藝巷進(jìn)行頂煤超前預(yù)裂爆破以此弱化頂煤硬度，提高頂煤冒放性，在礦山壓力作用下，通過插板來對大塊的煤進(jìn)行破壞，以此來實(shí)現(xiàn)落煤。

支護(hù)設(shè)計(jì)：寬溝煤礦開采順序?yàn)閰^(qū)段上行式，結(jié)合I010201、I010202 工作面的開采經(jīng)驗(yàn)，工作面下順槽受支承壓力較大，壓力顯現(xiàn)較為明顯，為確保工作面下順槽頂板穩(wěn)定，減小頂板離層量，工作面上、下順槽均采用超前支架進(jìn)行支護(hù)，工作面支護(hù)方式是利用的液壓支架技術(shù)，防止煤壁片幫，架后頂板采用全部跨落法進(jìn)行處理，通過超前預(yù)裂縮短頂板初次、周期來壓步距。

3 沖擊地壓形成的原因分析

沖擊傾向性說明：I010203 工作面屬于B2 煤層當(dāng)中的中央位置，B2 煤層自身帶有弱沖擊的特性，同時(shí)其頂板具有強(qiáng)沖擊的特性。與其上覆距B2 煤層大約距離在五十米的B41煤層則自身帶有強(qiáng)沖擊的特性。對該工作面進(jìn)行煤炭開采的過程當(dāng)中具備厚層堅(jiān)硬頂板的特性，在應(yīng)力方面，其具有相對復(fù)雜的疊加特性，為了煤炭開采過程中的安全起見，必須設(shè)計(jì)一套科學(xué)、完善、安全的沖擊地壓防治方案。[3]

危險(xiǎn)區(qū)域劃分：根據(jù)B2 煤層工作面安全回采的沖擊地壓防治經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合I010203 工作面的實(shí)際情況，通過對該回采面的進(jìn)行全方位的綜合性具體詳細(xì)地分析，現(xiàn)對I010203工作面回采期間劃分為9 個(gè)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，詳見圖1。

圖1 工作面危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖

（1）區(qū)域I，具有中等沖擊危險(xiǎn)。該區(qū)域?qū)儆贗010203工作面當(dāng)中的下順槽超前支護(hù)當(dāng)中影響到的范圍。（2）區(qū)域II，具有弱沖擊危險(xiǎn)。該區(qū)域?yàn)镮010203 工作面上順槽超前支承壓力影響范圍。以上兩個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域具有比較明顯的、典型動(dòng)態(tài)變化的特征，能夠隨著工作面開采的變化而發(fā)生前移。（3）區(qū)域III，具有中等沖擊危險(xiǎn)。該區(qū)域具有“單面見方”特征，也就是說煤礦開采工作面進(jìn)行180-230 米的位置。（4）區(qū)域IV，該區(qū)域自身帶有中等沖擊的特性。該區(qū)域?yàn)椤半p面見方”區(qū)域，也就是說在工作面進(jìn)行大約350-400 米的位置。（5）區(qū)域V，自身帶有強(qiáng)沖擊的特性。該區(qū)域?yàn)樵诠ぷ髅孢M(jìn)行大約50 米的位置。（6）區(qū)域VI，自身帶有強(qiáng)沖擊的特性。這個(gè)區(qū)域的位置在工作面外I010405 采空區(qū)的煤體。（7）區(qū)域VII，自身帶有弱沖擊的特性。這個(gè)區(qū)域?qū)儆贒F2 斷層對工作面產(chǎn)生不良影響的范圍。（8）區(qū)域VIII，自身具備中等沖擊的特性。這個(gè)區(qū)域?qū)儆诠ぷ髅婧屯２删€之間的距離大約50 米的位置。（9）區(qū)域IX，自身帶有中等沖擊的特性，這個(gè)區(qū)域?qū)儆诠ぷ髅胬享敵醮蝸韷旱姆秶?/p>

4 沖擊地壓綜合治理技術(shù)

4.1 技術(shù)方案

防沖治理方案：根據(jù)B2 煤層的沖擊地壓防治經(jīng)驗(yàn)，我礦將在I010203 工作面采取的防沖處理技術(shù)主要是初次放頂、頂板深孔預(yù)裂爆破，煤層超前松動(dòng)爆破等措施。通過對頂板、煤層的處理技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)I010203 工作面安全高效回采。

超前深孔預(yù)裂爆破：由于I010203 工作面自身所具備的厚層堅(jiān)硬頂板的先天特點(diǎn)，并且該工作面還將受到上部煤層以及煤柱的干擾，應(yīng)力相對較大。

爆破孔直徑為深孔爆破弱化頂板，爆破孔直徑一般為70mm-100mm。當(dāng)孔的直徑較小時(shí)，加載難度較大，爆炸的影響范圍與爆炸孔的直徑成正比。小孔徑的爆破效果較差，但孔徑過大時(shí)，泥漿難以封堵，影響爆破。[4]因此，深孔爆破弱化頂板鉆孔的直徑不能太大也不能太小。I010203工作面深孔炮眼直徑設(shè)定為94mm。炸藥爆炸后形成沖擊和擾動(dòng)，從爆炸源起依次形成擠壓區(qū)、裂隙區(qū)、振動(dòng)區(qū)。計(jì)算爆破作用產(chǎn)生的裂紋面積范圍可以確定合理的孔距。由于爆破是在沒有自由表面的情況下進(jìn)行的，當(dāng)載荷解耦時(shí)，根據(jù)爆破應(yīng)力波計(jì)算泄壓爆破裂紋區(qū)域的范圍。

不耦合裝藥爆破，作用于孔壁上的徑向應(yīng)力峰值，即初始沖擊壓力Pr為：

式中：

ρe、D—分別為炸藥密度和爆速：ρe＝1.27×103kg/m3，根據(jù)三級煤礦許用乳化炸藥性能指標(biāo)及規(guī)格，爆速≥2.8×103m/s，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值爆速取值D=4400m/s。

dc、db—分別為炸藥和炮孔直徑，為Φ90mm 和Φ94mm；

n—爆生氣體碰撞巖壁時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力增大倍數(shù)，n=8～12，取12。

式中：巖石的泊松比v=0.2，抗拉強(qiáng)度σt=7.48MPa，三號(hào)乳化炸藥密度ρ0=1.27g/cm3，衰減指數(shù)a=1.5。說明在炮眼直徑為Φ94mm，藥卷直徑在Φ90mm的情況下，炸藥爆炸后形成的裂隙區(qū)半徑為3623mm，直徑為7246mm，則組內(nèi)炮眼間距取7000～7500mm。

根據(jù)上述頂板力學(xué)參數(shù)和#3 乳化炸藥性能參數(shù)，計(jì)算結(jié)果為破裂帶直徑大于7500mm。因此，在保證足夠安全的情況下，同時(shí)對工作面頂板進(jìn)行預(yù)開裂，以達(dá)到頂板不受力的前提，故炮間距設(shè)置為10000mm。

爆破孔的深度主要由頂板的厚度、工作面的長度、煤層的陡度、距孔底的距離、孔間的距離等因素決定。孔的深度不應(yīng)太深。比如洞太長，裝車難度會(huì)增加，容易出現(xiàn)“卡洞”現(xiàn)象。

密封長度。當(dāng)利用柱狀荷載時(shí)，煤巖體的抗爆能力隨著孔深的增加而增加，而爆破煤的爆破能力與密封長度和煤、巖體的抗爆能力有關(guān)。封孔長度過短，會(huì)降低抗爆能力，爆破時(shí)會(huì)產(chǎn)生爆破漏斗，影響爆破效果，尤其是中間的穩(wěn)定性和支撐性會(huì)受到破壞。如果密封孔的長度大于其臨界長度，煤的爆破能力將小于抗爆能力，密封段的煤巖體在爆炸時(shí)不能形成裂縫，這也會(huì)影響爆炸效果。因此，合理的封堵長度應(yīng)保證封堵段煤巖體松散、預(yù)裂，同時(shí)不能產(chǎn)生發(fā)射漏斗。

按照一般考慮，深孔爆破的密封長度不應(yīng)小于孔深的13，但考慮到爆炸點(diǎn)靠近碳素屋面，容易造成屋面漏水事故。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，爆炸點(diǎn)應(yīng)控制在碳纖維屋頂以上4m。上通道爆破孔采用ZDY-4000s 和ZDY-1900 全液壓隧道鉆機(jī)建造，鉆頭為94mm 合金鋼鉆頭。下通道爆破孔采用ZDY-1000 全液壓隧道鉆機(jī)建造，鉆頭為75mm 合金鋼鉆頭。爆破孔采用ZDY-1900 和ZDY-6000S 全液壓煤礦隧道鉆機(jī)，鉆頭為94mm 合金鋼鉆頭。

4.2 管理管控

1.沖擊地壓防治現(xiàn)狀。礦區(qū)成立沖擊地壓防治領(lǐng)導(dǎo)小組，形成了由礦長全面負(fù)責(zé)，分管副礦長對分管范圍內(nèi)的防治工作直接負(fù)責(zé)，總工程師、安全礦長負(fù)責(zé)沖擊地壓防治的技術(shù)管理工作；下設(shè)礦壓防治辦公室，負(fù)責(zé)綜合監(jiān)測、解危措施、效果檢驗(yàn)、技術(shù)方案制定等防沖技術(shù)管理工作，災(zāi)害防治隊(duì)負(fù)責(zé)防沖工程現(xiàn)場施工。建立以“基礎(chǔ)評價(jià)、監(jiān)測預(yù)警、解危措施、效果檢驗(yàn)、安全防護(hù)、防沖管理、現(xiàn)場施工”為基礎(chǔ)的“六位一體”防沖管理體系。最后建成微震監(jiān)測系統(tǒng)、地音監(jiān)測系統(tǒng)、支架在線監(jiān)測系統(tǒng)、頂板離層在線監(jiān)測系統(tǒng)、電磁輻射儀監(jiān)測、鉆屑監(jiān)測等綜合立體監(jiān)測體系。[5]

2.實(shí)施綜合預(yù)警、綜合治理手段。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)和現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、研判，每日下發(fā)綜合日報(bào)表，實(shí)施超前預(yù)警。對采煤工作面危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嵤┏吧羁最A(yù)裂爆破、上下端頭切頂爆破解危措施處理頂板，降低和消除應(yīng)力集中區(qū)域。對掘進(jìn)工作面危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嵤┟后w松動(dòng)爆破、大直徑鉆孔卸壓解危措施將煤體應(yīng)力進(jìn)行釋放，有效地保證了采掘工作面安全平穩(wěn)推進(jìn)。

5 結(jié)語

1.實(shí)施防沖綜合治理手段。通過確定合理的采掘工藝，實(shí)施堅(jiān)硬頂板處理方法（包括工作面超前深孔預(yù)裂爆破、上下端頭切頂爆破）、煤體應(yīng)力釋放技術(shù)（包括煤體注水、煤體松動(dòng)爆破、大孔徑鉆孔卸壓）等綜合防治手段，有效地保證了采、掘面安全推進(jìn)。

2.根據(jù)礦井礦壓綜合防治方案及首采綜放工作面的實(shí)際情況，做好I010201 綜放工作面頂板管理工作，采取積極主動(dòng)的防治措施。結(jié)合該工作面周期來壓，在I010201 下順槽施工工藝巷（工藝巷間距：100m），截至目前已施工完成了1 至9 號(hào)，累計(jì)施工長度980m，對工作面的頂板進(jìn)行爆破處理時(shí)，切實(shí)將礦壓防治措施落實(shí)到現(xiàn)場，確保放頂煤期間的安全生產(chǎn)，為礦井安全高效生產(chǎn)夯實(shí)基礎(chǔ)。