深部特厚堅(jiān)硬頂板綜采工作面沖擊地壓防治技術(shù)研究

郝旭東

【摘 要】 文章針對(duì)深部開(kāi)采造成的沖擊地壓威脅礦井安全生產(chǎn)的問(wèn)題，以大興煤礦2北206工作面為研究對(duì)象，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的研究方法探究了工作面回采期間沖擊地壓分區(qū)、治理措施和效果。研究結(jié)果表明：（1）2北206工作面回采期間共存在7個(gè)弱沖擊危險(xiǎn)區(qū);（2）提出了大直徑鉆孔卸壓、煤層超前注水和底煤卸壓爆破的聯(lián)合解危卸壓措施;（3）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果表明：采用上述解危卸壓措施后，巷道淺基點(diǎn)和深基點(diǎn)最大應(yīng)力監(jiān)測(cè)值分別為7.24 MPa和6.08 MPa，工作面回采期間圍巖活動(dòng)強(qiáng)度較低，超前支承壓力較小，解危卸壓效果良好。此研究為類似工程地質(zhì)條件礦井沖擊地壓防治提供了參考。

【關(guān)鍵詞】 沖擊地壓;多因素耦合;區(qū)域劃分;卸壓措施

【中圖分類號(hào)】 TD324 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2022）01-0015-03

隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭，我國(guó)煤炭開(kāi)采逐年向深部拓展。但是，隨著采深的增大，且特厚堅(jiān)硬頂板條件下，沖擊地壓危險(xiǎn)性顯著增強(qiáng)，嚴(yán)重制約了沖擊地壓礦井的安全高效生產(chǎn)。如何降低沖擊地壓危險(xiǎn)，成為科研人員和礦山科技工作者關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)此，張坤等通過(guò)對(duì)深部厚煤層沖擊地壓形成機(jī)理的分析，提出了一種深埋堅(jiān)硬頂板厚煤層沖擊地壓的多因素耦合監(jiān)測(cè)及防治方法。陳志昂采用深孔爆破技術(shù)有效防治了耿村礦13230工作面深埋堅(jiān)硬頂板特厚煤層沖擊地壓。李亞賓對(duì)門克慶煤礦大埋深厚煤層進(jìn)行了沖擊危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)和分區(qū)，針對(duì)不同區(qū)域的沖擊地壓制定了相應(yīng)的解危卸壓措施。

基于上述研究成果，本文以大興煤礦2北206工作面為工程背景，對(duì)深部特厚堅(jiān)硬頂板工作面回采期間沖擊地壓分區(qū)及防治技術(shù)進(jìn)行研究，以期為類似工程地質(zhì)條件礦井沖擊地壓防治提供借鑒。

1工程背景

1.1工程概況

大興煤礦2北206工作面位于2#煤北翼采區(qū)，西鄰2北202工作面，北靠北翼采區(qū)軌道下山，南鄰F3斷層，東鄰2北208工作面（設(shè)計(jì)）。工作面煤層平均厚度4.0m，平均傾角22°，平均埋深660.5m，煤層賦存穩(wěn)定，煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

1.2工程問(wèn)題

2北206工作面煤層平均埋深為660.5m，最大埋深為727.8m，處于沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)中低階段，具備了沖擊地壓發(fā)生的深度條件。工作面頂板存在厚度超過(guò)10m的細(xì)砂巖，平均抗壓強(qiáng)度為116MPa，屬中等穩(wěn)定、堅(jiān)硬巖層，該巖層的斷裂、運(yùn)動(dòng)易誘發(fā)礦震、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害。此外，2北206工作面范圍內(nèi)斷層不發(fā)育，但工作面南部靠近F3斷層，存在斷層誘發(fā)沖擊地壓危險(xiǎn)的可能性。因此，針對(duì)影響工作面沖擊危險(xiǎn)的因素，制定合理有效的卸壓解危措施，可降低2北206工作面沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)性，為工作面安全生產(chǎn)提供保障。

2工作面沖擊危險(xiǎn)因素分析及危險(xiǎn)區(qū)域劃分

影響2北206工作面沖擊地壓危險(xiǎn)的因素主要有：巷道交叉、埋深、斷層、覆巖運(yùn)動(dòng)和工作面停采線等。根據(jù)上述因素對(duì)2北206工作面沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)和分區(qū)，并采用多因素耦合法對(duì)各影響因素的危險(xiǎn)區(qū)域位置和危險(xiǎn)等級(jí)疊加，最終確定工作面采掘期間的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域及等級(jí)。

2.1覆巖運(yùn)動(dòng)影響區(qū)

基本頂初次破斷階段。2#煤偽頂為0.5～2.5m厚的泥巖，直接頂為30.9m厚的泥鈣質(zhì)膠結(jié)細(xì)砂巖，局部為泥巖夾層，老頂為16.2m厚的粗砂巖。工作面基本頂初次垮落引發(fā)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，加之煤層強(qiáng)度高，極易引發(fā)沖擊動(dòng)力顯現(xiàn)和較大的震動(dòng)發(fā)生。由于偽頂和直接頂垮落后采空區(qū)充填密實(shí)，礦壓顯現(xiàn)不強(qiáng)烈。由相鄰2北202工作面礦壓觀測(cè)結(jié)果可知，初次來(lái)壓步距約為26m，周期來(lái)壓步距約為11m。受到工作面開(kāi)切眼傾斜和調(diào)采等影響，2北206工作面將分段來(lái)壓，靠近運(yùn)輸巷的最上段首先來(lái)壓，且來(lái)壓步距將比正常工作面增長(zhǎng)，然后分段來(lái)壓到達(dá)最下端。因分段來(lái)壓使得來(lái)壓范圍減小、來(lái)壓強(qiáng)度降低，但下端（材料巷附近）初次來(lái)壓時(shí)，可能和上端（運(yùn)輸巷附近）周期來(lái)壓重疊。因此，基本頂初次來(lái)壓前后，將軌道順槽（材料巷）距切眼26m，運(yùn)輸順槽距切眼26m處的20m范圍的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)均劃為弱沖擊危險(xiǎn)。

工作面“一次見(jiàn)方”階段。若工作面頂板存在硬厚巖層且采深較大，工作面初采期間，由于采空區(qū)面積較小，頂板硬厚巖層運(yùn)動(dòng)有限，頂板結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。當(dāng)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度與工作面長(zhǎng)度相同時(shí)，工作面處于“一次見(jiàn)方”階段，此時(shí)工作面頂板巖層將發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)。2北206工作面推進(jìn)約110m后，工作面進(jìn)入“一次見(jiàn)方”階段。在工作面“一次見(jiàn)方”階段，采空區(qū)頂板巖層受力發(fā)生變化，采場(chǎng)支承壓力增大，頂板運(yùn)動(dòng)劇烈，易產(chǎn)生沖擊事故，故將運(yùn)輸巷及材料巷“見(jiàn)方”前60m、后20m區(qū)域劃為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

2.2斷層危險(xiǎn)區(qū)

2北206切眼受到多條斷層的影響，雖然斷層落差較小，但巷道掘進(jìn)的超前支撐壓力與斷層的側(cè)向支撐壓力疊加，會(huì)使得巷道在接近斷層的過(guò)程中壓力增大。此外，2北206切眼靠近F3斷層，存在斷層誘發(fā)沖擊地壓危險(xiǎn)的可能性。故將切眼全長(zhǎng)劃為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

2.3巷道交叉及停采線影響區(qū)

停采線影響區(qū)及在巷道轉(zhuǎn)彎、交叉位置容易形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生大量震動(dòng)，是容易發(fā)生沖擊地壓事故的區(qū)域。據(jù)此將停采線影響區(qū)及巷道轉(zhuǎn)彎、交叉處劃為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)，此區(qū)域包括的巷道主要有北翼采區(qū)專用回風(fēng)巷、2北206材聯(lián)以及2北202材聯(lián)等。

2.4回采期間沖擊危險(xiǎn)多因素耦合結(jié)果

通過(guò)對(duì)上述沖擊危險(xiǎn)區(qū)的多因素耦合，共得到2北206工作面回采期間弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)7個(gè)，分別為：2北206運(yùn)輸巷（從切眼至停采線，危險(xiǎn)區(qū)長(zhǎng)度420m）、2北206運(yùn)輸巷（從停采線至北翼采區(qū)皮帶下山，危險(xiǎn)區(qū)長(zhǎng)度142m）、2北206材料巷（從切眼至停采線，危險(xiǎn)區(qū)長(zhǎng)度487m）、2北206材料巷（從停采線至北翼采區(qū)皮帶下山，危險(xiǎn)區(qū)長(zhǎng)度142m）、2北206材聯(lián)和第一聯(lián)絡(luò)巷（軌道和皮帶下山與材料巷間的聯(lián)絡(luò)巷道）、北翼采區(qū)專用回風(fēng)巷（材料巷與軌道巷之間）和2北206切眼（切眼全長(zhǎng)）。

3工作面沖擊地壓解危卸壓措施

3.1大直徑鉆孔卸壓

回采巷道。根據(jù)沖擊危險(xiǎn)區(qū)劃分，2北206回采巷道為弱沖擊危險(xiǎn)，在巷道回采兩幫每間距3m打一個(gè)卸壓孔，鉆孔深16m，孔徑110m，鉆孔距底板0.5～1.5m;卸壓鉆孔從里到外施工到停采線結(jié)束;回采前，從切眼開(kāi)始往外至少先施工完200m鉆孔，以保證回采后鉆孔施工超前工作面200m以上。

回采工作面。正常回采期間，回采工作面不進(jìn)行卸壓施工。如果回采工作面煤粉監(jiān)測(cè)指標(biāo)超限，或微震監(jiān)測(cè)出現(xiàn)預(yù)警，或礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，并經(jīng)確認(rèn)有沖擊危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行解危卸壓，鉆孔布置及參數(shù)同回采巷道。

3.2煤層超前注水

2北206材料巷、運(yùn)輸巷各距切眼20m處開(kāi)始布置注水鉆孔，鉆孔沿煤層傾斜方向施工，鉆孔角度與煤層傾角一致，鉆孔深度為35m，孔間距為15m，距切眼20m處施工的鉆孔為1號(hào)鉆孔，依次往外施工鉆孔并編號(hào)，直到停采線為止。

超前工作面20m開(kāi)始注水，封孔材料為速凝劑，封孔長(zhǎng)度為2m，注水時(shí)間為24h。要安裝壓力表和注水量表，注水壓力不低于2MPa，噸煤注水量為0.02m3/t。

3.3底煤卸壓爆破

雖然巷道掘進(jìn)期間已對(duì)底煤厚度超過(guò)1m的區(qū)域進(jìn)行底板卸壓，但工作面回采期間巷道底板因受超前支承應(yīng)力影響而可能發(fā)生應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊危險(xiǎn)發(fā)生，故應(yīng)在工作面回采期間對(duì)底煤進(jìn)行卸壓處理，以釋放底板能量，降低沖擊地壓發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。具體措施為：在沖擊危險(xiǎn)區(qū)前后50m且有底煤區(qū)域內(nèi)施工底板卸壓爆破鉆孔，孔徑為42mm，孔深至底板巖層，孔間距為3m，封孔方式為全長(zhǎng)封孔，裝藥方式為單孔1～2支礦用炸藥，爆破方式為單孔單次起爆，并視爆破效果進(jìn)行裝藥量增減，底煤卸壓爆破鉆孔布置情況見(jiàn)圖1。

4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)大興煤礦2北206工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果，對(duì)具有沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行大直徑鉆孔卸壓、煤層超前注水和底煤卸壓爆破的解危卸壓措施后，對(duì)工作面回采期間超前應(yīng)力進(jìn)行觀測(cè)和分析，超前應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖3為2北206材料巷的某一次超前支承壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)。由圖3可知，淺基點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的最大應(yīng)力為7.24MPa，深基點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的最大應(yīng)力為6.08MPa，二者均低于黃色預(yù)警值。由此可見(jiàn)，采用上述解危卸壓措施后，工作面回采期間圍巖活動(dòng)強(qiáng)度較低，超前支承壓力較小，解危卸壓效果良好。

5結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)2北206工作面沖擊地壓影響因素進(jìn)行分析，并進(jìn)行了多因素耦合評(píng)價(jià)，共得到2北206工作面回采期間有7個(gè)弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)。

針對(duì)2北206工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)提出了大直徑鉆孔卸壓、煤層超前注水和底煤卸壓爆破的聯(lián)合解危卸壓措施

采用上述解危卸壓措施后，工作面回采期間圍巖活動(dòng)強(qiáng)度較低，超前支承壓力較小，解危卸壓效果良好。

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