大采深厚煤層沖擊地壓防治技術研究

文/馬曉東

大采深厚煤層沖擊地壓防治技術研究

文/馬曉東

沖擊地壓作為一種特殊的礦壓顯現形式，已成為煤礦開采特別是深部開采礦井的主要災害，嚴重威脅煤礦的安全生產。沖擊地壓發生時，常因煤巖體中應變能的突然、急劇、猛烈釋放而導致工作面或巷道的煤巖層結構瞬時發生破壞，造成井巷的嚴重破壞和人員的重大傷亡。義煤集團最早有記錄的沖擊地壓發生在1998年的千秋煤礦，之后多對礦井不同程度也發生了沖擊地壓，對礦井的安全生產構成嚴重威脅，經過十幾年的不斷探索，對沖擊地壓有了充分深刻的認識，成功應用多種方法進行沖擊地壓預測和防治，有效地控制了沖擊地壓的發生。

一、義馬礦區千秋礦概況

義煤集團千秋煤礦始建于1956年，1958年投產，2007年設計核定生產能力210萬t/a，是義煤集團的骨干礦井之一。井田位于河南省義馬市之南1～2km，義馬煤田中部，井田內有二1（平均煤厚7m）和二3（平均煤厚15m）煤層，中間有簡單夾矸，可采性系數Km= 1，屬較為穩定煤層。

二、沖擊地壓發生機理分析

1.上覆巨厚礫巖影響

據鉆孔揭露，千秋煤礦主采的二號煤層上覆有400m巨厚礫巖層，堅硬厚層礫巖頂板容易聚積大量的彈性能，在其破斷或滑移過程中，大量的彈性能突然釋放，形成強烈震動，從而導致沖擊地壓發生。

2.煤層具有沖擊傾向性

沖擊傾向性是識別煤巖體發生沖擊破壞的能力，鑒定其是否具有發生沖擊地壓危險性的固有力學性質，是發生沖擊地壓的必要因素之一，強沖擊傾向性煤體的失穩破壞更突然、更難于預測。經煤科總院鑒定千秋煤礦2#煤層下部分層屬于3類，為具有強沖擊傾向性的煤層。

3.地質構造影響

F16大斷層貫穿千秋礦的2#煤層，斷層為近東西走向逆斷層，落差30～400m，在采動影響易于發生“活化”，煤層頂板巖層難以控制，尤其是當開采區域斷層比較發育時，斷層對礦壓分布規律的影響十分明顯；并且千秋井田處在義馬煤田大向斜軸部，構造應力集中，增加了發生沖擊地壓的幾率。

4.礦井采深較大

千秋煤礦首次發生沖擊地壓的開采深度為449m，目前礦井開采深度已經超過800m，沖擊地壓危險性勢必進一步增大。千秋煤礦沖擊地壓主要是底板型沖擊，沖擊地壓發生時，底板大量鼓起，說明煤層底板存在高應力。大采深高支承壓力作用在地板上，在高應力底板內受采動擾動影響容易發生沖擊地壓。

三、沖擊地壓綜合防治措施

1.防范技術

(1)沿空小煤柱布巷。工作面上巷沿上采空區邊沿掘進，留設煤柱寬度3～5m，把巷道布置在卸載區內，避開應力峰值區，減小沖擊危險和巷道變形。

（2）寬巷沿底掘巷。工作面下巷巷道斷面由15m2擴大至24m2，降低巷道煤體邊沿支承壓力；沿底板掘進不留底煤，增大底板強度，減小因留底煤造成的底板沖擊危險性。

（3）三級讓壓支護。掘巷后采用錨網索Ⅰ級主動支護，然后架設36U可縮性半圓拱形棚Ⅱ級支護，在可縮性半圓拱棚下安裝大立柱防沖支架Ⅲ級加強支護，加強支護超前距離不低于150m，對巷道兩幫煤體及時進行松幫卸壓，保證卸壓間隙≥300mm，避免應力聚積和支護破壞。

2.監測預警

（1）微震監測。ESG加拿大微震監測系統，在掘進期間跟隨掘進頭在上巷下幫、下巷上幫的巷道頂板上每200m安裝加拿大ESG微震監測探頭一個，上下巷呈“品”字形布置，實現對工作面的礦震信號進行遠距離、實時、動態、自動監測，確定出每次震動的震動類型，判斷出沖擊礦壓發生應力源，對工作面沖擊地壓危險程度進行評價。

波蘭微震系統。礦井設有波蘭ARAMIS M/E系統實現整個礦井大范圍的，高位巖層的低頻、高能量大微震事件的監測預測。

KZ-301礦震監測系統。對義馬整個煤田進行礦震監測，并定位震級，對于整個煤田礦震發生、運動規律進行研究分析打下基礎。

（2）局部輔助監測。采用KBD-5、KBD-7、KJ-550沖擊地壓實時在線預警監測系統配合常規的鉆屑法監測及礦壓觀測法組成的局部監測體系，進行綜合預警；采用KJ216綜采支架阻力在線監測系統可對工作面周期來壓情況做到有效的分析和掌握。

千秋煤礦實現了多渠道，多手段捕捉沖擊地壓信息，形成了從井田到采區到工作面全方位的立體式監測網絡“三級”預警體系，對研究沖擊地壓發生規律，提前預測沖擊危險信息提供了技術支持，為有針對性采取防治措施提供保障。

3.解危技術

（1）煤層注水。千秋煤礦煤層單軸抗壓強度為22.4Mpa，煤質硬脆，容易積聚彈性能。通過采前工作面煤層預注水（如圖1所示），使煤體強度在一定程度上得到弱化、軟化，降低煤體儲存彈性能的能力，使高應力向煤體深部轉移，減小開采過程發生沖擊地壓的危險性。

圖1　注水卸壓示意圖

（2）煤層爆破卸壓。通過實施煤層爆破，使鉆孔周圍一定區域的煤體結構發生破壞，產生裂隙，在8～15m范圍內形成卸壓帶，高應力轉移至煤體深部，能量的存儲和釋放空間增大，消除沖擊地壓發生條件，最大限度地避免沖擊地壓的發生。

（3）頂板爆破卸壓。實施超前頂板深孔預爆破后，在頂板中形成裂縫并促使原生裂隙進一步擴展，頂板結構破壞，釋放頂板所積聚的能量，并促使采空區頂板冒落，削弱采空區與工作面超前區間頂板連續性，減小頂板來壓時的強度和沖擊性，達到防治沖擊地壓發生的目的。

（4）煤層鉆孔卸壓。作為沖擊地壓煤層治理的一種常規措施，千秋煤礦在具有沖擊危險的掘進面兩幫以及回采面下巷兩幫超前350m煤層中，實施孔深不低于20m，直徑120mm的大直徑鉆孔，使鉆孔周圍煤體應力集中程度降低，高應力轉移至煤體深部，起到預卸壓目的，與煤層爆破卸壓互補，起到了明顯的防治效果。

四、結論

通過采取沿空掘巷、沿底大斷面掘巷、三級讓壓支護等防范技術措施，使巷道避開應力集中區，有效減少了沖擊地壓發生的概率。

通過微震、電磁輻射、礦壓監測以及鉆屑法監測等綜合預警手段，對于沖擊地壓發生前兆信息做到初步的了解和探究，對指導區域性防范措施和局部性解危措施具有十分重要的意義。

在應力集中的煤巖體中實施預注水、爆破卸壓、鉆孔卸壓，使集中應力得到緩解和釋放，使采掘生產在卸壓保護帶內進行。

通過微震、電磁輻射、礦壓觀測對沖擊地壓防治措施中的煤層注水、卸壓爆破、鉆孔卸壓等，進行跟蹤效果檢驗，使沖擊地壓防治做到了超前預警，卸壓及時，沖擊地壓發生次數逐年下降，為礦井安全生產做出了突出貢獻。

（責任編輯：李元）

作者單位：（河南義馬煤業集團）