沖擊地壓礦井綜放工作面過斷層期間安全技術(shù)研究

公為梅，王緒勝，秦 鵬

（山東省天安礦業(yè)集團有限公司，山東 曲阜 273100）

1 概述

星村煤礦3306工作面為綜采放頂煤工作面，兩順槽布置設(shè)計為軌道順槽進風(fēng)、運料；運輸順槽回風(fēng)、煤流運輸?shù)姆绞?；工作面現(xiàn)為條帶開采孤島工作面，左側(cè)為已開采的3302工作面，右側(cè)為已開采的3308工作面。

工作面在回采時需要穿過多條斷層，總體構(gòu)造為單斜構(gòu)造形態(tài)，為局部發(fā)育小幅的緩波狀褶曲。該工作面煤層走向北30°～40°西，傾向北50°～60°東，傾角3°～15°，平均11°。工作面兩順槽和外切眼揭露落差大于1.0 m的斷層共9條，軌順2條，運順7條。其產(chǎn)狀及位置見表1和圖1。

圖1 3306工作面斷層示意圖

根據(jù)上表可知大部分斷層落差小，延展距離短，對工作面影響較小。SF101斷層橫穿整個工作面，對回采的安全因素影響大，同時該斷層導(dǎo)致工作面局部巖石破碎及丟煤嚴重。工作面過該斷層時頂板控制困難、應(yīng)力集中明顯、自然發(fā)火危險程度上升。

如何保證工作面過斷層期間的正?；夭?，特別是SF101斷層回采過程中的風(fēng)險管控成為重中之重。

2 過斷層期間安全技術(shù)措施研究

星村煤礦三煤經(jīng)資質(zhì)單位鑒定為自然煤層、強沖擊傾向性煤層。工作面過斷層期間主要是頂板管理、沖擊地壓防治、防滅火管理三大塊。隨工作面的回采及時間的推移，斷層區(qū)域應(yīng)力重新分布與積聚，斷層構(gòu)造的存在使構(gòu)造應(yīng)力明顯高于正常應(yīng)力，且不同區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力大小有較大差異，在斷層構(gòu)造集中區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力對沖擊地壓有顯著影響，給防沖工作帶來挑戰(zhàn)；工作面過斷層期間回采速度慢，采空區(qū)遺煤多，給防滅火工作同樣帶來巨大挑戰(zhàn)。如何采取有效安全的措施管控這三項風(fēng)險確保工作面正常安全回采為管理重點。

2.1 頂板管理

過SF101斷層主要采取人工打眼爆破與無聲破碎劑的方式對頂板風(fēng)險進行管控。

1）人工打眼爆破:使用風(fēng)鉆打眼，φ32 mm鉆頭，濕式打眼。具體根據(jù)巖石的節(jié)理、裂隙發(fā)育情況及巖石的硬度確定，但炮眼深度不小于0.8 m，眼間距不小于0.6 m，排距不小于0.6 m。炮眼布置間距、裝藥量、打設(shè)角度及眼深（不超過2.6 m）等可根據(jù)工作面巖性條件做適當調(diào)整?？筛鶕?jù)現(xiàn)場實際情況，采用三花眼或單打底眼。爆破用安全等級二級的煤礦許用水膠炸藥，炸藥直徑φ27 mm，長度400 mm，藥卷重量300 g，煤礦許用毫秒延期電雷管，F(xiàn)D200型煤礦用電容式發(fā)爆器起爆，正向裝藥，封泥長度不得小于炮眼長度的1/2，聯(lián)線方式為串聯(lián)，一次起爆。一次起爆眼數(shù)不超過80發(fā)。

圖2 炮眼布置圖

2）無聲破碎劑：采用風(fēng)鉆配合直徑為φ32/42鉆頭，在需要破碎的巖石處理處進行打眼，具體打眼布置根據(jù)巖石的節(jié)理、裂隙發(fā)育情況及巖石的硬度確定。打眼完畢后，將無聲破碎劑經(jīng)過加水按照比例在容器（塑料桶）內(nèi)攪拌，攪拌后向鉆孔內(nèi)注入無聲破碎劑，各個鉆孔內(nèi)全部注入無聲破碎劑。將盛一定量水的塑料桶與無聲破碎劑按照重量比為1∶3進行配比，用木棍將倒入容器中的破碎劑拌成具有流動性的漿體。攪拌注入鉆孔內(nèi)的無聲破碎劑漿體，促使其在10～20 min時間內(nèi)注入完畢，不然將降低其充填流動性及脹裂效果。將漿體倒入孔內(nèi)后,并在孔中采用鐵絲攪動，以確保鉆孔中沒有氣孔。將施工的各個鉆孔全部注入無聲破碎劑后，在孔口使用廢舊皮帶進行遮擋。

2.2 沖擊地壓管理

1）防治總則：采用多因素耦合法對工作面斷層區(qū)域沖擊危險進行分級分區(qū)預(yù)測。根據(jù)工作面各主要因素影響程度和范圍的分析結(jié)果進行耦合疊加，獲得多因素耦合影響下的工作面沖擊危險分級分區(qū)預(yù)測結(jié)果，進而劃分沖擊危險區(qū)域（包括無沖擊危險、弱沖擊危險、中等沖擊危險、強沖擊危險4種等級的危險區(qū)域劃分）。3個及以上沖擊危險影響因素疊加時，定為“強”等級。該工作面斷層回采區(qū)域受埋深、斷層及底煤疊加影響，沖擊危險性較高。因此將斷層區(qū)域范圍圈定為強沖擊危險。

現(xiàn)行沖擊地壓礦井的管理主要從四個方面考慮，一為減度、二為卸壓、三為支護、四為控人；減度即綜合考慮防火等因素影響降低工作面推進速度，同時根據(jù)工作面壓力顯現(xiàn)情況對工作面推進速度進行具體分析及調(diào)整，確保防沖和防火安全；卸壓重點對斷層特殊尖滅位置進行卸壓，深孔爆破孔向兩端延伸，輔助底板鉆孔水力卸壓等其他卸壓措施；支護主要是加強運順的頂幫支護，掛設(shè)網(wǎng)子的未錨固區(qū)域要采取加強支護的措施；控人主要是控制危險區(qū)域施工人員，減少作業(yè)人員數(shù)量，確保發(fā)生災(zāi)害時危險區(qū)域施工人員數(shù)量盡可能少。

2）加密大直徑鉆孔卸壓及頂板深孔爆破：采取直徑鉆孔φ150 mm進行預(yù)防性卸壓。鉆孔深度不小于23 m；鉆孔間距0.8 m±0.1 m；鉆孔水平角度垂直于煤壁。根據(jù)斷層的位置，分別在軌順和運順打設(shè)深孔爆破孔，對斷層進行定向爆破卸壓。深孔爆破參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整，每孔裝90卷煤礦許用二級水膠炸藥，孔間距15 m，裝藥長度12 m；均為正向裝藥，采用FD200型發(fā)爆器起爆，一次起爆不超2個孔；炮眼采用水泥藥卷封孔，確保封滿封實。

圖3 爆破卸壓裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 軌道順槽卸壓示意圖

圖5 運輸順槽卸壓示意圖

3）底板鉆孔水力卸壓：由于斷層區(qū)域存在底煤對防沖工作帶來較大影響與風(fēng)險，吸取以往底煤區(qū)域沖擊事故教訓(xùn)，通過使用ZQSJ-140/4.1架柱支撐手持氣動（防突）型鉆機打設(shè)鉆孔，鉆孔φ150 mm；底板卸壓鉆孔深度施工至煤層底板巖石處；鉆孔傾角垂直巷道底板（80°～90°）；鉆孔排距3.0 m(±0.3 m)；鉆孔距離兩幫不大于1 000 mm位置各布置一排；當現(xiàn)場由于受外界條件限制時可適當調(diào)整鉆孔位置、角度及間距，但必須施工至煤層底板，以現(xiàn)場操作為準；鉆孔施工完畢后實施底煤浸水卸壓技術(shù)，按照間距6.0 m，兩幫交錯布置的方式，使用直徑不小于45 mm的PE管進行注水，PE管底端距底板卸壓鉆孔末端不小于1.0 m，外露不小于50 mm，過斷層期間每天早班定期向PE管內(nèi)注水，以達到濕潤煤體同時減弱沖擊能量的效果。

4）斷層期間能量監(jiān)測：通過防沖綜合預(yù)警系統(tǒng)及微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測斷層區(qū)域強及弱危險區(qū)能量變化情況，精準分析出構(gòu)造應(yīng)力區(qū)的變化，以便及時調(diào)整防沖卸壓措施。利用SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)，對工作面區(qū)域進行實時監(jiān)測，每天進行震源的定位、微震能量的計算、統(tǒng)計等工作，對大能量震動信號進一步進行頻譜分析和現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)情況記錄，判斷礦震的機制以及區(qū)域沖擊危險性程度。當鉆屑法監(jiān)測超標時，人員撤離至超標地點300m范圍以外或就近巖巷段，從鉆屑法監(jiān)測超標位置向左、右各擴展20m處進行鉆屑法監(jiān)測。當應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警后，立即停止作業(yè)，撤出危險區(qū)域人員，停止生產(chǎn)，巷道執(zhí)行封閉管理。然后根據(jù)現(xiàn)場情況，確保安全的前提下在應(yīng)力在線監(jiān)測測點附近10m范圍內(nèi)施工一鉆屑檢測，確定沖擊危險具體范圍，如鉆屑監(jiān)測正常，則對預(yù)警測點前后各5m采取大直徑鉆孔或煤層爆破等卸壓措施進行卸壓解危。

工作面溜頭向溜尾第10架支架開始，沿工作面每10架設(shè)置一條監(jiān)測線，若在線監(jiān)測發(fā)現(xiàn)監(jiān)測線上支架阻力長時間未達到初撐力（工作面支架壓力值24～37.5 MPa）或長時間超過額定工作阻力時，要及時檢查支架附近礦壓顯現(xiàn)情況，并將支架阻力調(diào)整至正常工作阻力狀態(tài)。每日分析觀測支架阻力變化趨勢，結(jié)合井下實際礦壓顯現(xiàn)情況，提前做好重點防沖區(qū)域的卸壓和加強支護措施。

圖6 工作面測線布置圖

2.3 防滅火管理

1）管路及束管敷設(shè)：縮短各類防火措施管路與兩端頭擋墻間距。過斷層期間工作面多出口注漿管鋪設(shè)間距50 m左右，該管路向工作面方向延伸長度不小于60 m，每隔9 m設(shè)置1個出口；工作面兩端頭隔離墻間距不大于10 m；束管鋪設(shè)間距縮短為15 m左右。

2）順槽及端頭處理：安排每天早班及時對工作面兩順槽及兩端頭破碎煤體進行打眼壓注水玻璃凝膠，采樣分析或者現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)異常情況時三班連續(xù)處理。兩端頭漏風(fēng)區(qū)域及破碎遺煤采用噴注LFM充填材料的方法減少采空區(qū)漏風(fēng)。

3）強化注漿注氮工藝：根據(jù)三帶劃分結(jié)果及氣體分析數(shù)據(jù)選擇合適的采空區(qū)預(yù)埋管理不間斷注氮。重點對氧化帶范圍進行強化處理，同時根據(jù)氣體分析情況采取連續(xù)性注氮或間隔性注氮措施，注氮期間加強采空區(qū)氣體分析。

4）高位注漿鉆孔：束管監(jiān)測采樣分析采空區(qū)一氧化碳濃度超過300×10-6且持續(xù)上升時，采取其他措施仍無法消除隱患時在兩端頭實施高位注漿鉆孔，注漿鉆孔長度不小于40 m（具體根據(jù)束管監(jiān)測氣體變化情況及時調(diào)整），鉆孔開孔位置高于底板2 m，鉆孔直徑51 mm，鉆孔施工完畢后大流量注水玻璃凝膠或阻化泡沫直至隱藏高溫點消除。

5）監(jiān)測監(jiān)控及束管管理：加強監(jiān)測監(jiān)控及束管監(jiān)測管理，每天安排專人觀察工作面運順自然發(fā)火觀測點一氧化碳傳感器數(shù)據(jù)，與瓦斯檢查員檢查數(shù)據(jù)相對比，出現(xiàn)異常及時匯報處理，工作面采空區(qū)及回風(fēng)流、回風(fēng)隅角采樣周期正常每周不少于6次，出現(xiàn)出現(xiàn)自然發(fā)火隱患時每班取樣分析一次。

當束管取樣分析采空區(qū)一氧化碳濃度超過300×10-6且持續(xù)上升出現(xiàn)乙烯時、回風(fēng)流一氧化碳濃度超過24×10-6且持續(xù)上升時、瓦斯檢查工巡回檢查發(fā)現(xiàn)煙霧、架前或架間一氧化碳濃度超過300×10-6，立即對隱患區(qū)域采取針對性措施處理，以上情況采取防火措施后有害氣體仍有上升趨勢時，經(jīng)判定自燃隱患無法治理，立即在兩順槽防火門墻處使用防火門板快速密閉，并使用LFM噴涂料對密閉進行堵漏。然后采取縮風(fēng)的方式進一步減少采空區(qū)漏風(fēng)，通過預(yù)留的管路大流量注氮進行處理，降低采空區(qū)氧氣濃度和溫度。

3 效果分析

3.1 安全效益分析

工作面過斷層期間頂板安全，未發(fā)生漏頂冒頂事故，頂板支護可靠有效。工作面采空區(qū)及回風(fēng)流一氧化碳濃度處于允許正常范圍內(nèi)，采空區(qū)及回風(fēng)流未出現(xiàn)一氧化碳濃度超限情況，整體判斷過斷層期間工作面無自然發(fā)火風(fēng)險。根據(jù)過斷層期間工作面震動次數(shù)及能量顯現(xiàn)，斷層推采期間工作面未發(fā)生震動能量超過105焦現(xiàn)象，工作面沖擊地壓風(fēng)險在可控范圍內(nèi)，整體判定工作面過斷層期間無沖擊地壓風(fēng)險。

3.2 經(jīng)濟效益分析

以上措施的有效應(yīng)用保證了工作面過斷層期間正?；夭桑_保了煤炭正?；厥?，經(jīng)濟效益顯著。

4 結(jié)論

1）針對該工作面過斷層期間的安全風(fēng)險，采取強化頂板管理、沖擊地壓專項防治及強化防滅火措施是有效的、可行的，針對性的措施可以起到預(yù)期的效果。底板鉆孔水力卸壓為卸壓新技術(shù)，可以有效的在濕潤煤體的情況下降低煤體沖擊傾向性。高位注漿鉆孔可以有效的解決采空區(qū)隱蔽火災(zāi)，根據(jù)采空區(qū)三帶分布范圍及距離定向?qū)Σ煽諈^(qū)進行防火處理。

2）綜放工作面過斷層期間不論是沖擊地壓防治還是防滅火防治，頂板的管理為最重要的一個環(huán)節(jié)，有效的進行頂板管控是必要的。當綜放工作面火災(zāi)與沖擊地壓風(fēng)險災(zāi)害共存時，需要采取不同的管控措施進行綜合管控，特別是斷層等特殊區(qū)域應(yīng)制定行之有效的方案以保證工作面正常安全生產(chǎn)。