唐口煤業首個防沖體系的構建及預控

（山東能源淄礦集團唐口煤業，山東 濟寧 272000）

唐口煤業首個防沖體系的構建及預控

呂寶峰

（山東能源淄礦集團唐口煤業，山東 濟寧 272000）

沖擊地壓是礦山井巷或采場周圍煤體與圍巖由于釋放變形能而產生的以突然、急劇而猛烈的破壞為特征的動力現象。構建責任、監測、卸壓為一體的防沖體系，探索出礦井發生沖擊地壓一般規律，及時運用微震、電磁輻射等方法監測礦井沖擊危險，采取煤層注水、卸壓爆破、大直徑鉆孔卸壓等方法進行卸壓，釋放能量，消除沖擊危險，為礦井的安全生產提供了可靠保障。

沖擊地壓；構建體系；一般規律；可靠保障

引言

唐口煤業公司是淄礦集團濟北礦區年生產能力最大的一對現代化礦井，年設計能力300萬噸，核定生產能力500萬噸，開采最深的工作面為-1300m。礦井不但具備水、火、瓦斯、煤塵、高地壓五大自然災害，同時經煤炭科學研究總院北京開采所做的沖擊傾向性鑒定結果，該公司3上煤層為具有強沖擊傾向性的煤層，3上煤層頂板、底板屬于2類，為具有弱沖擊傾向性的巖層，一但力源條件滿足，并受擾動影響，便可能導致工作面發生沖擊地壓災害。

一般情況下，礦井工作面煤層及頂底板、開采深度、斷層、褶曲等地質構造、工作面頂底板條件穩定、煤層厚度及傾角變化、放炮等因素極易誘發沖擊地壓現象。當開采深度達到800m以上時，沖擊危險性接近最大值。當工作面在斷層、褶曲等構造附近回采作業時，構造應力釋放并作用在煤體上，造成煤體應力集中，加之綜采產生的擾動影響，易導致巷道圍巖失穩。當堅硬頂底板破碎或滑移過程中突然釋放大量彈性能，導致頂板發生沖擊。當煤層厚度突然變薄或變厚處，煤層厚度變化越劇烈，應力集中的程度越高，沖擊地壓危險性越高。當放炮震動時，能使煤層中的應力迅速重新分布而增加局部煤體應力，進入極限平衡狀態，同時，能迅速解除煤壁邊緣側向約束力，使受力狀況發生改變，由三向受力向兩向受力轉化，使其抗壓強度下降，導致迅速破壞。因此，建立完善合理的礦井防沖體系是礦井安全高效生產的基本保證。

1 礦井沖擊地壓防治體系構建的必要性

沖擊地壓是礦山井巷或采場周圍煤體與圍巖由于釋放變形能而產生的以突然、急劇而猛烈的破壞為特征的動力現象。它往往造成慘重的人員傷亡和巨大的經濟損失，是礦井安全生產的重大災害之一。通過以往的礦井沖擊地壓事故看，特厚堅硬頂板條件下，地應力和采動應力影響增大、極易誘發沖擊地壓；生斷層交匯點附近受地震影響，釋放出大量能量也會引發沖擊；堅硬的巨厚砂巖頂板受地震影響，在破斷離層時釋放出大量能量，也會引發礦震。其中最主要的原因都是因為沖擊地壓防治機構不健全，有的礦井沒有采取任何的沖擊地壓防治措施造成的，沖擊地壓防治體系的構建是有效防止沖擊地壓發生的一個必要條件。

2 防沖體系的構建

2.1 責任體系構建

2.1.1 設立防沖機構。組建了防治沖擊地壓辦公室，任命了負責防沖專業技術的專職防沖副總工程師，配置了專職工作人員，組建了105人專業防沖隊伍。

2.1.2 健全防沖制度。根據《煤礦安全規程》有關沖擊地壓煤層開采規定，先后下發了《唐口煤業防治沖擊地壓管理規定（暫行）》、《唐口煤業公司沖擊地壓防治實施細則（暫行）》、《沖擊地壓防治綜合管理制度》，進一步規范了礦井沖擊地壓的防治工作，做到了有章可循，為防沖擊地壓各項措施的落實，奠定了制度保障。

2.1.3 建立防沖安全生產責任制。健全完善了沖擊地壓防治責任體系，形成了公司、防沖辦、防沖隊“三級責任追究考核體系”，同時明確了防沖擊地壓體系內的22個崗位工種的防沖安全生產責任。

2.2 監測體系的構建

2.2.1 微震監測系統

唐口礦井巷道變形較為嚴重，壓力顯現較為強烈，具有潛在的沖擊危險性，為監測礦井采掘過程中的煤巖體震動事件，消除或減弱沖擊地壓發生帶來的危害。利用波蘭ARAMISM/E微震監測系統進行沖擊礦壓災害監測預報。

圖1

圖2

從沖擊地壓與巖體震動的關系來看，發生沖擊地壓的最低能量為1×103J，大部分是從1×105J開始的，在能量級別為1×106J時，發生的沖擊地壓最多。但并不是每一個能量級別在1×109J的震動都有沖擊地壓發生。

微震監測系統的主要功能是對全礦范圍進行微震監測，是一種區域性監測方法。自動記錄微震活動、實時進行震源定位和微震能量計算，為評價全礦范圍內的沖擊地壓的危險性提供依據。其原理是：利用拾震儀站接收到的直接P波起始點的時間差，在特定條件下的波速場條件下進行二維或三維定位，以判斷破壞點；同時利用震相持續時間計算所釋放的能量和震級，并標入采掘工程圖并速報顯示給生產指揮系統，以便及時采取措施。

構建了四處ARP2000地面監測分站，形成井上下聯合監測網絡，有效提高監測精度，為沖擊地壓的防治提供有力的預測手段。

若微震監測系統監測到以下情況時，預測工作面具有沖擊危險性，應采取相應卸壓解危措施。

（1）工作面內2小時發生3次及以上能量大于1.0×104J的微震事件。

（2）工作面內1小時發生2次及以上能量大于1.0×105J的微震事件。

（3）工作面內發生1次能量大于1.0×106J的微震事件。

（4）經微震監測人員對一段時間內微震活動發生頻度及發生趨勢分析，預測作業地點可能發生沖擊地壓。

2.2.2 現場監測鉆屑法

有沖擊危險采掘工作面必須采用鉆屑法現場監測，鉆屑法采用小直徑鉆頭（一般為42mm），鉆孔深度不小于7m，間距為3～5m（重點區域需加密）。記錄每米鉆進時的煤粉量，接近或超過臨界指標時，判定為有沖擊危險；記錄鉆進時的動力效應，如聲響、卡鉆、吸鉆、鉆孔沖擊等現象，作為鑒別沖擊危險的參考指標。

鉆屑法檢測沖擊危險的指標及判定方法：

（1）檢測指標由煤粉量、深度和動力效應組成。煤粉量是每米鉆孔長度所排出的煤粉的質量，單位為kg；深度是從煤壁至所測煤粉量位置的鉆孔長度，可折算成鉆孔地點實際采高的倍數，動力效應是鉆孔產生的卡鉆、孔內沖擊、煤粉粒度變化等現象。

（2）用鉆粉率指數方法判別工作地點沖擊地壓危險性的指標，可參照表1的規定，實際鉆粉率達到相應的指標或出現鉆桿卡死現象，可判定所測工作地點有沖擊地壓危險。

2.2.3 電磁輻射監測法

采用便攜式電磁輻射儀對沖擊危險進行監測時，每隔10m布置1個測點，每個測點監測時間為2分鐘。記錄煤（巖）破壞過程中電磁輻射強度的最大值及脈沖數，采用靜態臨界值及動態趨勢法預測沖擊危險，接近或超過臨界指標時，判定為有沖擊危險；若電磁輻射指標升高較快，或指標較高時突然下降，也判定為有沖擊危險。

2.2.4 應力在線監測法

采煤工作面開采期間采用KJ550煤礦沖擊地壓應力在線監測系統進行沖擊地壓的臨場預報。根據回采工作面的特點及構造特征，壓力傳感器安裝在軌皮順生產幫，自切眼前方40m開始，每25m一組，每組2個，埋設深度分別為10m、15m，每組兩個測點間距1m。

表1 判別工作地點沖擊地壓危險性的鉆粉率指數

表2 2310回采工作面初始預警值設置

回采工作面的初始預警值設置見表2。

2.2.5 礦壓在線監測法

（1）綜采工作面礦壓監測法

①壓力分機布置：綜采工作面每隔8個支架布置一臺壓力分機。通過監測工作面內支架的工作阻力變化規律，為評價支架支所效果、支架對該類頂板的適應性以及頂板初次來壓、周期來壓等規律提供依據。

②頂板離層儀的布置：采煤工作面軌道順槽每隔100m布置一臺離層傳感器。通過離層傳感器監測頂板離層位置、離層速度變化，用于判斷頂板破壞范圍，對巷道穩定性進行判斷，對巷道所處的安全等級進行評價。

（2）綜掘工作面頂板離層觀測法

頂板離層儀在全煤掘進巷道在順槽中每隔50m布置一個測點，其深基點保證進入煤層頂板穩定巖層中，深度不低于6m，淺基點固定在巷道頂板以上2.4m的巖層中。自安設之日起，15日內每天觀測一次，以后每兩天觀測一次，一個月后每3天觀測一次，每個測點觀測日期為2個月，頂板離層大于45mm的測點必須進行分析研究頂板變化情況。

2.3 卸壓體系的構建

2.3.1 煤層注水法

通過煤層注水，煤的結構發生改變、強度下降、變形特性明顯“塑化”，煤體中積聚彈性能的能力下降，以塑性變形方式消耗彈性能的能力增加，煤的沖擊傾向性大為減弱，甚至完全失去沖擊能力。

2.3.2 卸壓爆破法

通過對煤體實施鉆孔爆破，使鉆孔周圍一定區域的煤巖體產生裂隙，其結構發生破壞，承載能力下降，在一定的范圍內形成卸載帶，便于應力和能量的釋放，消除發生沖擊地壓的應力條件，避免沖擊地壓的發生。

2.3.3 大直徑鉆孔卸壓法

利用鉆孔方法消除或減緩沖擊地壓危險的解危措施。鉆孔卸壓的實質是利用高應力條件下，煤層中積聚的彈性能來破壞鉆孔周圍的煤體，使煤層卸壓、釋放能量，消除沖擊危險。

礦井發生沖擊地壓一般規律

（1）多發生在二、三、四原煤層采煤和掘進工序中發生前，小沖擊次數和能量迅速增加，一般持續2-3天后會出現大沖擊之后，次數和能量明顯降低。

（2）多發生在采深600-800m以下。

（3）多發生在采掘接近采空區、煤柱、停采線、老巷、煤層分叉、傾角變化等50m左右。

（4）多發生在采掘接近距斷層及向、背斜軸部30-60m區域。

（5）多發生采煤面上下端頭30m，上下平巷150m區域。

（6）多發生巷道掘進距迎頭10-50m區域。

（7）多發生巷道三岔點、四岔點區域。

（8）多發生頂板來壓時，頂板動靜載荷疊加誘發沖擊波。

結語

近三年來，通過防沖體系的不斷健全和完善，有效的防止了采掘工作面沖擊地壓事故的發生，為礦井的安全生產提供了可靠保障。

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