工作面回采期間沖擊危害防范措施的研究

張傳寧 劉泉伸 楊 永

（山東能源集團(tuán)鮑店煤礦，山東 鄒城 273513）

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)概況

鮑店煤礦5312 工作面位于3#煤層，煤層平均厚度8.65 m，煤層平均傾角9°。煤層直接頂巖性為粉砂巖，厚度3.56 m，節(jié)理較發(fā)育，易破碎；老頂巖性為粉細(xì)砂巖，厚度8.47 m，堅(jiān)硬致密，以細(xì)砂巖為主；直接底不發(fā)育；老底巖性為粉細(xì)砂巖，厚度18.43 m，巖石呈中厚層狀。鮑店煤礦已鑒定煤層具有沖擊傾向性。

1.2 采礦方法

煤層平均厚度8.65 m，煤層賦存條件穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，瓦斯鑒定為低瓦斯礦井。根據(jù)礦井五采區(qū)勘探及3 煤揭露情況，該區(qū)域3 煤無(wú)堅(jiān)硬頂板、堅(jiān)硬頂煤不易冒落的情況，頂煤冒放性好，設(shè)計(jì)采用綜采放頂煤一次采全高工藝開(kāi)采。設(shè)計(jì)割煤高度為3.2 m，當(dāng)工作面煤壁片幫嚴(yán)重，局部頂煤破碎時(shí)可適當(dāng)降低采高，控制在2.9～3 m，以加強(qiáng)對(duì)頂板及煤壁的控制。設(shè)計(jì)截深0.75 m，采放比1:1.7（割煤高度3.2 m，放煤高度5.45 m），采取兩刀一放的推進(jìn)模式，放煤步距1.5 m。

2 回采期間沖擊危害防范措施

2.1 回采期間沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)[1-4]

（1）微震法

鮑店煤礦在5312 工作面裝備了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)與工作面動(dòng)壓顯現(xiàn)及鉆屑法測(cè)試結(jié)果，綜合分析礦震能量、震源位置與工作面動(dòng)壓顯現(xiàn)的關(guān)系，預(yù)測(cè)工作面沖擊危險(xiǎn)性。

監(jiān)測(cè)分析范圍：采煤工作面沿開(kāi)采方向和采空區(qū)方向300 m，左右兩側(cè)200 m。

監(jiān)測(cè)分析內(nèi)容：微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于區(qū)域內(nèi)發(fā)生的礦震活動(dòng)情況，以每日震動(dòng)活動(dòng)為基本單元，對(duì)比分析3～7 d 內(nèi)震動(dòng)發(fā)生的頻次、能量及分布特征。微震法預(yù)測(cè)沖擊地壓危險(xiǎn)的一般規(guī)律有：① 礦震活動(dòng)不明顯且震動(dòng)能量水平較低，預(yù)示圍巖處于能量穩(wěn)定釋放階段，可正常生產(chǎn)；② 礦震活動(dòng)出現(xiàn)頻次較高，能量顯著增加，能量緩慢增加時(shí)間持續(xù)3 d以上，或者震動(dòng)活躍期后出現(xiàn)驟降，則判定沖擊地壓危險(xiǎn)；③ 震動(dòng)能量與沖擊地壓危害呈正相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)震動(dòng)能量＜1×105J 時(shí)，沖擊的危險(xiǎn)性相對(duì)較弱；當(dāng)震動(dòng)能量≥1×106J，說(shuō)明礦區(qū)有劇烈的巖層活動(dòng)，發(fā)生較大的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取防沖措施。

（2）鉆屑法

采取鉆屑量指數(shù)衡量工作面的沖擊危險(xiǎn)程度，通過(guò)對(duì)工作面的鉆屑量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得符合該礦實(shí)際生產(chǎn)條件的鉆屑量指數(shù)閾值，進(jìn)而有效指導(dǎo)沖擊地壓預(yù)測(cè)。其中鉆屑量指數(shù)=鉆出煤粉量/正常排粉量，一般將1.5 倍正常排粉量定為該點(diǎn)是否具有沖擊危險(xiǎn)的閾值。

監(jiān)測(cè)分析范圍：鉆屑法重點(diǎn)檢測(cè)工作面60 m范圍以?xún)?nèi)，鉆孔布置在工作面里幫，鉆孔須沿著煤層方向布置在煤層中部，切不可施工至煤層的頂?shù)装逦恢?。鉆孔自煤壁前15～20 m 布置，每孔間距約20 m，孔徑42～45 mm，孔深10 m，如圖1。

圖1 鉆孔布置示意圖（m）

監(jiān)測(cè)分析內(nèi)容：主要監(jiān)測(cè)每米鉆孔的鉆屑量。若出現(xiàn)鉆屑量指數(shù)超閾值，鉆孔出現(xiàn)非正常的卡鉆、吸鉆、異響，則應(yīng)采取相應(yīng)的解危措施。為保證鉆屑法監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和精度，當(dāng)探眼煤粉量＞臨界值時(shí)，立即在附近地點(diǎn)1 m 施工對(duì)比孔，以確定探測(cè)的準(zhǔn)確性；同時(shí)在對(duì)幫也要施工煤粉檢驗(yàn)孔，以確定對(duì)幫煤粉是否超標(biāo)。

（3）應(yīng)力在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

應(yīng)力在線(xiàn)監(jiān)測(cè)采用在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)工作面的地壓狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律并自動(dòng)生成應(yīng)力曲線(xiàn)，精確反映煤體地壓應(yīng)力。

監(jiān)測(cè)分析范圍：應(yīng)力在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的壓力傳感器通常布置在工作面200 m 范圍內(nèi)，自距離工作面30 m開(kāi)始布置，每間隔30 m 在回采實(shí)體煤側(cè)布置一組測(cè)點(diǎn)；距離工作面停采線(xiàn)150 m 開(kāi)始，開(kāi)始對(duì)上山集中巷區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，每組間距50 m。每組測(cè)點(diǎn)安設(shè)兩個(gè)壓力傳感器，兩個(gè)傳感器的埋設(shè)深度分別為8 m、14 m，間距1.5～2 m。

監(jiān)測(cè)分析內(nèi)容：應(yīng)力在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的預(yù)警值設(shè)定見(jiàn)表1，根據(jù)不同的檢測(cè)值顯示不同顏色的檢測(cè)曲線(xiàn)。應(yīng)力增幅預(yù)警按照如下標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定預(yù)警值，24 h 內(nèi)應(yīng)力增幅預(yù)警設(shè)定，增幅≥2 MPa，顯示黃色；增幅≥4 MPa，顯示紅色。不發(fā)生沖擊地壓判斷準(zhǔn)則：① 全綠色；② 一組黃色預(yù)警+3 d 內(nèi)無(wú)明顯增壓；③ 一組紅色預(yù)警+1 d 內(nèi)無(wú)明顯增壓。發(fā)生沖擊地壓準(zhǔn)則：① 兩組及以上紅色預(yù)警；② 兩組及以上黃色預(yù)警；③ 一組紅色預(yù)警+1 d 內(nèi)明顯增壓。

表1 預(yù)警值設(shè)定表

2.2 回采期間沖擊防治方案[5-10]

工作面回采期間的解危措施主要包括大直徑鉆孔和煤體爆破卸壓。檢測(cè)到?jīng)_擊危險(xiǎn)的處理流程如下：（1）首先采用鉆屑法監(jiān)測(cè)，指標(biāo)不超標(biāo)的，則無(wú)需進(jìn)行鉆孔卸壓。（2）當(dāng)微震監(jiān)測(cè)和鉆屑監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值，指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，則實(shí)施大直徑鉆孔卸壓措施之后再通過(guò)鉆屑法進(jìn)行校驗(yàn)，如果指標(biāo)不再超標(biāo)，即可繼續(xù)回采。（3）若出現(xiàn)應(yīng)力值很高的異常區(qū)域或者大直徑鉆孔卸壓效果不佳，則需采取爆破卸壓措施，直至指標(biāo)不超標(biāo)方可以恢復(fù)采礦。

2.2.1 大直徑鉆孔卸壓

大直徑鉆孔卸壓措施需滿(mǎn)足：鉆孔間距為2 m，鉆孔深度≥20 m，鉆孔直徑≥110 mm，鉆孔高度為0.8～1.5 m，布置形式如圖2。施工參數(shù)需根據(jù)實(shí)際施工條件調(diào)整。采用大直徑鉆孔卸壓解危措施后，采取鉆屑法進(jìn)行效果校驗(yàn)，如果監(jiān)測(cè)區(qū)域指標(biāo)值仍有異常，應(yīng)采取加密鉆孔進(jìn)一步實(shí)施解危措施。

圖2 大直徑卸壓鉆孔傾向剖面示意圖

2.2.2 煤體卸壓爆破

若出現(xiàn)應(yīng)力值很高的異常區(qū)域或者大直徑鉆孔卸壓效果不佳，則需采取爆破卸壓措施。爆破卸壓措施是在兩大直徑鉆孔中間施工爆破鉆孔實(shí)施爆破卸壓。爆破鉆孔參數(shù)如下：孔深15 m，孔徑42 mm，炮眼間距5 m，單孔裝藥量4.0 kg，炮孔堵塞長(zhǎng)度8 m。炮孔施工須沿著煤層方向且垂直于煤幫，與底板間距為1.2 m，爆破順序采取逐孔起爆方式。爆破后采取鉆屑法、微震監(jiān)測(cè)法進(jìn)行效果校驗(yàn)，直至徹底解除沖擊地壓危險(xiǎn)為止。爆破鉆孔布置如圖3。

圖3 爆破鉆孔布置示意圖（m）

2.3 特厚煤層沖擊地壓防治措施

鑒于5312 工作面“刀把型”布置且煤層厚度較厚，工作面在回采時(shí)應(yīng)控制回采速度不超過(guò)8 m/d，要盡量控制好推進(jìn)度和放煤量，確保工作面能夠達(dá)到勻速推進(jìn)、均勻放煤，工作面對(duì)接前后根據(jù)來(lái)壓情況調(diào)整開(kāi)采速度。在工作正常生產(chǎn)期間，根據(jù)沖擊地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判斷工作面周期來(lái)壓步距，加強(qiáng)沖擊地壓監(jiān)測(cè)，采取相應(yīng)的防沖擊措施。

（1）初次來(lái)壓

初次來(lái)壓期間巖層活動(dòng)劇烈，影響工作面前方0～60 m 范圍。初采初放及頂板初次來(lái)壓期間應(yīng)嚴(yán)格按照區(qū)域沖擊危險(xiǎn)等級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行防治，工作面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)提高一個(gè)危險(xiǎn)性等級(jí)進(jìn)行防治。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，必須按照沖擊地壓預(yù)警管理辦法要求采取相應(yīng)措施，確保指標(biāo)在臨界值以下方可生產(chǎn)。

（2）周期來(lái)壓及采空區(qū)見(jiàn)方

根據(jù)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，工作面推進(jìn)至周期來(lái)壓步距或工作面見(jiàn)方時(shí)，由于采場(chǎng)上方覆巖空間結(jié)構(gòu)的連通，覆巖活動(dòng)劇烈，煤體和圍巖積聚彈性能釋放，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及防治力度。周期來(lái)壓期間巖層活動(dòng)劇烈，影響工作面前方0～100 m 范圍。初次見(jiàn)方影響范圍為見(jiàn)方點(diǎn)前后50 m 范圍，采空區(qū)周期性“見(jiàn)方”為見(jiàn)方點(diǎn)前后20 m 范圍。工作面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，必須采取相應(yīng)措施，并檢驗(yàn)指標(biāo)小于臨界值后方可生產(chǎn)。

3 防沖措施的實(shí)際應(yīng)用效果

為保證5312 工作面的安全開(kāi)采，鮑店煤礦對(duì)評(píng)估的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域采取超前預(yù)卸壓措施。鉆孔孔徑150 mm，孔距2 m，深度25 m，工作面回采沖擊危險(xiǎn)區(qū)共計(jì)施工卸壓鉆孔630 個(gè)。工作面沖擊危險(xiǎn)性采用應(yīng)力實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、微震監(jiān)測(cè)、鉆屑法監(jiān)測(cè)等方法。

3.1 應(yīng)力實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果

采用應(yīng)力實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采煤工作面兩順槽沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)力傳感器不大于30 m布置一組，每組包含2 個(gè)應(yīng)力計(jì)（間距0.5～2m），根據(jù)回采情況及時(shí)挪移，保持工作面前方300 m 的超前支承壓力影響區(qū)處于監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，工作面生產(chǎn)期間應(yīng)力監(jiān)測(cè)無(wú)異常，無(wú)明顯的應(yīng)力增高趨勢(shì)，無(wú)預(yù)警。

3.2 微震監(jiān)測(cè)

5312 工作面采用5 個(gè)微震拾震器對(duì)工作面震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)SOS 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。工作面開(kāi)采以來(lái)共監(jiān)測(cè)到震動(dòng)事件2920 次，平均日震動(dòng)18.6 次，累計(jì)震動(dòng)總能量5.72×106J，最大震動(dòng)事件能量為4.56×104J，103J 以下事件2824次，104J以上事件96次。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：（1）工作面震動(dòng)事件為103J 以下的小震動(dòng)事件；（2）104J 以上事件主要是受到鋪?zhàn)訑鄬拥挠绊?，造成鋪?zhàn)訑鄬拥木植繎?yīng)力集中，對(duì)工作面回采影響較??；（3）總體評(píng)價(jià)為微震事件相對(duì)較多但能量較小，工作面回采期間無(wú)異常壓力顯現(xiàn)。

3.3 鉆屑法監(jiān)測(cè)

工作面弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域每3 d 監(jiān)測(cè)一次，無(wú)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域每5 d 監(jiān)測(cè)一次，監(jiān)測(cè)范圍100 m。鉆屑法監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，煤粉鉆孔施工過(guò)程中無(wú)卡鉆、吸鉆等動(dòng)力現(xiàn)象，煤粉無(wú)超標(biāo)現(xiàn)象，最大煤粉量3.38 kg/m。

4 結(jié)論

監(jiān)測(cè)效果表明，鮑店煤礦5312 工作面在實(shí)施沖擊地壓治理措施之后能夠有效控制工作面沖擊地壓?jiǎn)栴}。但是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中仍需注意以下幾點(diǎn)：（1）工作面膠運(yùn)順槽臨近5311 采空區(qū)，煤柱承載力降低，應(yīng)加強(qiáng)沿空巷道的礦壓監(jiān)測(cè)。（2）工作面輔運(yùn)順槽臨近鋪?zhàn)訑鄬?，建議根據(jù)揭露巖石情況，及時(shí)修正鋪?zhàn)訑鄬拥慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)，必要時(shí)重新評(píng)估斷層影響。（3）由于沖擊地壓受到多個(gè)方面的影響，在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況動(dòng)態(tài)調(diào)整沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)和防沖技術(shù)參數(shù)，做好順槽超前支護(hù)、人員及設(shè)備安全防護(hù)和限員管理措施。