綜放工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及防治措施

錢紅亮，趙曉凡

(1.河南大有能源股份有限公司 耿村煤礦，河南 三門峽 472400； 2.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

綜放開采作為一種高效采煤方法在我國已得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著煤礦開采強(qiáng)度的增加，淺部煤炭資源逐漸枯竭，開采水平不斷向深部延伸，尤其是在我國中東部地區(qū)，部分煤礦開采深部已達(dá)到800～1 000 m.深部開采受“三高一擾動(dòng)”影響，沖擊地壓事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)。姜福興等[1]提出一種考慮自重應(yīng)力疊加的回采工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，該方法實(shí)現(xiàn)了對回采工作面沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的量化。潘俊鋒等[2]針對目前沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法的不足，研究了工作面推進(jìn)度及其變化梯度對高能礦震的影響，提出煤層卸壓爆破等防沖解危措施。翟明華等[3]研究了深部回采側(cè)向支承壓力分布規(guī)律，并對臨近工作面進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。楊光宇等[4]分析了深部開采特厚煤層巷道沖擊特征，并基于沖擊啟動(dòng)理論，通過建立力學(xué)模型對工作面進(jìn)行多元指數(shù)法沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。針對沖擊地壓機(jī)理防治技術(shù)的研究學(xué)者們也進(jìn)行了大量研究[5-12]。齊慶新等[13]研究了斷層及巨厚礫巖層耦合條件下沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，提出“弱鏈增耗”防沖技術(shù)。潘一山等[14]通過建立沖擊地壓巷道力學(xué)模型，分析了沖擊能量對巷道影響全過程，提出三級(jí)吸能支護(hù)體系。竇林名等[15]通過建立煤巖沖擊力學(xué)模型，提出動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊地壓原理，提出了綜合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)。

耿村井田煤層上覆均厚300 m巨厚礫巖層。由于巨厚礫巖層整體性好，隨著煤層回采，巨厚礫巖層會(huì)形成大面積懸頂，受采動(dòng)應(yīng)力及F16逆沖斷層的推覆影響，巨厚礫巖層一旦垮落其產(chǎn)生的震動(dòng)波與回采應(yīng)力疊加，可能在回采工作面前方煤體及回采巷道中產(chǎn)生大能量礦震，誘發(fā)沖擊地壓。因此，進(jìn)行耿村煤礦13200綜放面的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并提出防治措施對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 礦井及工作面概況

義煤集團(tuán)耿村煤礦13200綜放面位于13采區(qū)延深軌道下山西翼，北部為已開采的13180綜放工作面采空區(qū)，西部與南部均為未開采的2-3煤實(shí)體。工作面可采走向長719 m，傾斜長249 m。13200工作面頂板為侏羅系頂板，直接頂為灰黑色、黑色泥巖，厚度25.0 m，具隱蔽水平層理。煤層直接底為泥巖，厚度為2.8 m，老底為泥巖砂巖交替層，厚度35.0 m以上。

2 綜放面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

綜合指數(shù)法是評(píng)價(jià)工作面沖擊危險(xiǎn)性的常用方法，主要是在已發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害的基礎(chǔ)上，通過分析地質(zhì)條件及采礦因素對工作面沖擊地壓的影響，確定各因素影響所占權(quán)重，以綜合指數(shù)來判定工作面沖擊地壓發(fā)生等級(jí)。綜合指數(shù)法分類指數(shù)見表1.

表1 綜合指數(shù)法分類指數(shù)

2.1 地質(zhì)因素對綜放面沖擊危險(xiǎn)的影響

影響沖擊地壓的主要因素有地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素[1-2]。地質(zhì)因素主要包括開采深度、頂板堅(jiān)硬巖層、構(gòu)造應(yīng)力集中、煤層沖擊傾向性等，結(jié)合13200綜放面地質(zhì)條件，通過計(jì)算和對比分析，確定地質(zhì)條件影響沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的因素及指數(shù)，如表2所示。用公式(1)計(jì)算地質(zhì)因素對沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的影響程度，并確定沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定的指數(shù)Wt1，計(jì)算得出Wt1=0.57.

表2 地質(zhì)條件影響工作面沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的因素及指數(shù)

(1)

式中：Wt1為根據(jù)采礦地質(zhì)因素確定的沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)；Wimax為第i個(gè)地質(zhì)因素中的最大指數(shù)值，最大值均為3；Wi為采掘工作面周圍第i個(gè)地質(zhì)因素的實(shí)際指數(shù)；n1為地質(zhì)因素的數(shù)目。

2.2 開采技術(shù)因素對綜放面沖擊危險(xiǎn)的影響

影響沖擊地壓的開采技術(shù)因素主要包括開采技術(shù)條件、開采歷史，煤柱、停采線位置等[3-4]，結(jié)合13200綜放面開采技術(shù)條件，確定開采技術(shù)因素對沖地壓的影響程度及相應(yīng)指數(shù)，如表3所示。用公式(2)確定開采技術(shù)因素對沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的影響程度以及確定沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定的指數(shù)Wt2，計(jì)算得出Wt2=0.62.

表3 開采技術(shù)條件影響工作面沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的因素及指數(shù)

(2)

式中：Wt2為根據(jù)開采技術(shù)影響因素確定的沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)；Wimax為第i個(gè)開采技術(shù)影響因素中的最大指數(shù)值，最大值均為3；Wi為采掘工作面周圍第i個(gè)開采技術(shù)影響因素的實(shí)際指數(shù)；n2為開采技術(shù)影響因素的數(shù)目。

依據(jù)Wt=max{Wt1,Wt2}可以得出13200工作面回采期間沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定的綜合指數(shù)為：

Wt=max{0.57,0.62}=0.62∈(0.5,0.75)

(3)

根據(jù)公式(3)所得出的13200工作面回采期間沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定的綜合指數(shù)，并對照表1，可以確定采用綜合指數(shù)法確定13200工作面回采期間具有中等沖擊危險(xiǎn)性。

3 工作面沖擊地壓防治

13200綜放面在回采過程中主要以大直徑卸壓鉆孔、煤層注水軟化、斷底卸壓等常規(guī)治理措施為主，卸壓爆破等特殊卸壓措施為輔的聯(lián)合卸壓手段[5-6]。

1) 卸壓鉆孔。13200工作面回采期間，在工作面超前300 m回風(fēng)平巷下幫，運(yùn)輸平巷上下幫施工超前卸壓鉆孔進(jìn)行卸壓。鉆孔直徑≥120 mm，鉆孔開口位置距巷道底板0.5～1.5 m.通過在巷道兩幫實(shí)施一系列間距合理的大直徑鉆孔以后，每個(gè)鉆孔周圍會(huì)形成一定的破碎區(qū)，當(dāng)破碎區(qū)相互貫連后，在巷道周邊形成弱化帶，促使巷道支承壓力向深部圍巖轉(zhuǎn)移，從而使巷道處于低應(yīng)力區(qū)。工作面內(nèi)不同的沖擊危險(xiǎn)區(qū)卸壓鉆孔布置要求不同，具體參數(shù)如表4所示。

表4 卸壓鉆孔參數(shù)

2) 煤層注水。煤層沖擊傾向性與煤層含水率有關(guān)，煤層注水可以降低或消除煤層沖擊傾向性。沖擊地壓煤層回采前，實(shí)施煤層預(yù)注水，降低煤體強(qiáng)度，消除或弱化煤層沖擊傾向性和沖擊能力。煤層注水作為沖擊地壓的常規(guī)治理措施在回采平巷內(nèi)實(shí)施。13230綜放工作面回采過程中在超前工作面150 m區(qū)間內(nèi)，對回風(fēng)平巷下幫、運(yùn)輸平巷兩幫，由里向外單孔實(shí)施動(dòng)或靜壓注水?；夭善较锩簩幼⑺@孔布置如圖1和圖2所示。注水鉆孔孔徑75 mm，孔深40 m，孔間距15～20 m；孔口位置布置在巷道煤體完整處，一般位于巷高1/3～1/2位置處，鉆孔垂直巷幫沿煤層傾斜方向布置。運(yùn)輸平巷上幫鉆孔傾角10～13°，運(yùn)輸平巷及回風(fēng)平巷的下幫鉆孔傾角均為1～3°.

圖1 回風(fēng)平巷煤層注水孔剖面圖

圖2 運(yùn)輸平巷煤層注水孔斷面圖

3) 斷底爆破。對于一般沖擊危險(xiǎn)區(qū)的煤層，經(jīng)煤層鉆孔卸壓后，能夠?qū)崿F(xiàn)煤層的安全開采。對于強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)，經(jīng)煤層鉆孔卸壓后，經(jīng)鉆屑法效果檢驗(yàn)后卸壓效果不理想時(shí)，可以采用特殊卸壓措施——煤層卸壓爆破防治方法對煤體進(jìn)一步卸壓。

13200綜放面對回采巷道留有底煤的均采取斷底卸壓措施：①當(dāng)巷道底煤(含煤矸互層)厚度d≤1.5 m時(shí)，在巷道兩幫腳實(shí)施底板卸壓孔，方位垂直巷幫，傾角向下45°±5°鉆孔，孔徑D≥120 mm，孔間距(1±0.2)m，終孔接觸底板巖層為止，鉆孔不進(jìn)行爆破，只進(jìn)行注水軟化。②當(dāng)巷道底煤(含煤矸互層)厚度1.5 m4 m時(shí)，除巷幫底角實(shí)施斷底孔外，每隔20 m沿巷道橫斷面施工3個(gè)底板爆破孔，孔徑D≥75 mm，間距1～1.5 m，鉆孔傾角45～90°，第一個(gè)斷底孔布置在距巷幫1.0 m的位置。④當(dāng)巷道穿層由頂板進(jìn)入煤層時(shí)，須從巷道底板與煤層間巖柱厚度h≤3 m時(shí)開始采取底板卸壓措施。

4) 深孔爆破。在高應(yīng)力區(qū)或應(yīng)力異常區(qū)(一般在工作面上下巷超前60～150 m范圍內(nèi))，定期進(jìn)行深孔爆破誘導(dǎo)卸壓?？咨畲笥?5 m，孔間距5 m.為控制爆破當(dāng)量，每次最多允爆4個(gè)孔。

4 沖擊地壓防治效果分析

4.1 綜放面超前支承壓力分析

基于關(guān)鍵層理論，建立如圖3所示的超前支承壓力計(jì)算模型，并結(jié)合13200綜放面生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)，依據(jù)文獻(xiàn)[16]計(jì)算工作面回采期間超前支承壓力，繪制如圖4所示的超前支承壓力分布曲線。13200綜放工作面超前支承壓力峰值位置距切眼約43.13 m，支承壓力峰值約為29.45 MPa.按照超前支承壓力分布特征，沿工作面走向方向進(jìn)行分區(qū)如表5所示。

表5 超前支承壓力影響范圍及分區(qū)

圖3 超前支承壓力計(jì)算模型

圖4 超前支承壓力分布曲線

4.2 微震監(jiān)測結(jié)果分析

為分析工作面采取防沖措施后的防治效果，對2021-05-21至2021-06-04微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制如圖5所示的微震事件分布圖。并對微震事件分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表6所示。

表6 2021-05-21至2021-06-04微震事件分布統(tǒng)計(jì)

圖5 2021-05-21至2021-06-04微震事件分布圖

2021-05-21至2021-06-04，13200綜放面共發(fā)生3次方及以上(E≥1.0×103J)微震事件65起，其中3次方能量的微震事件(1.0×103J≤E<1.0×104J)54起，占83.1%；4次方能量的微震事件(1.0×104J≤E<1.0×105J)10起，占15.4%；6次方能量的微震事件(1.0×106J≤E<1.0×107J)1起，占1.5%.監(jiān)測到的微震事件中最大能量為2.1×106J，震源位于采空區(qū)內(nèi)，且未導(dǎo)致回采巷道應(yīng)力和工作面內(nèi)礦壓明顯變化。微震監(jiān)測結(jié)果表明，在工作面內(nèi)采取卸壓措施后，防治效果明顯。沿工作面走向方向來看，受超前支承壓力影響，微震事件主要分布于峰值應(yīng)力影響區(qū)和高應(yīng)力影響區(qū)內(nèi)。

5 結(jié) 語

1) 基于綜合指數(shù)法對耿村煤礦13200綜放面的沖擊危險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行分析，得出13200綜放面地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素對沖擊地壓危險(xiǎn)的影響指數(shù)分別為0.57、0.62，綜合判斷沖擊危險(xiǎn)性綜合指數(shù)為0.62，13200綜放面沖擊地壓類型屬于中等沖擊等級(jí)。

2) 提出以大直徑卸壓鉆孔、煤層注水軟化、斷底卸壓等常規(guī)治理措施為主，卸壓爆破等特殊卸壓措施為輔的聯(lián)合卸壓手段，并給出了相應(yīng)技術(shù)參數(shù)。

3) 建立超前支承壓力計(jì)算力學(xué)模型，分析了綜放面前方超前支承壓力分布規(guī)律，并結(jié)合微震監(jiān)測，分析了沖擊地壓防治效果。結(jié)果表明，綜放面在采取聯(lián)合卸壓手段后，沖擊地壓防治效果顯著。