特厚煤層綜放工作面沖擊地壓綜合防治技術研究

李孝波 王聯合

摘 要：為解決特厚煤層綜放工作面沖擊地壓問題，以某礦2101綜放工作面為研究對象，從引發沖擊地壓的原因入手，通過分析可知綜放工作面沖擊地壓主要影響因素為開采深度、煤柱寬度、地質構造等，結合影響因素采取加強支護、回采過程中預測預報、及時卸壓解危、安全防護等措施，有效防止了礦井沖擊地壓事故的發生。

關鍵詞：特厚煤層；預測預報；沖擊地壓；綜合防治

1 引言

隨著我國煤礦開采深度和強度逐年增加，許多礦井相繼進入深部開采階段，礦震、沖擊礦壓等重大災害相繼出現，是深部礦井實現綠色開采亟待解決的難題。特別是大采高綜放工作面大規模、高強度的開采擾動，不僅導致垮落帶覆巖劇烈運動，并且周圍采空區中已經存在的空間平衡結構也將進一步失穩，而未斷裂的巖層會與工作面協同破斷運動，從而誘發沖擊礦壓等煤巖動力災害。文章從引發沖擊地壓的原因入手，對該礦2101綜放工作面開采過程中覆巖破斷失穩引起的沖擊礦壓進行三維實時監測，為沖擊地壓解危方案的制定、實施提供有效依據，并結合現場實踐，形成適合該礦特色的沖擊地壓綜合防治技術。

2 工作面概況

2101綜放工作面主采為2號煤層，賦存穩定，厚度15～26.5m，平均厚度24m；采用綜合放頂煤開采，其中上分層平均可采厚度13.5m。煤層埋深+613.8～+690.6m，傾角3°～5°，平均傾角為3°。總體趨勢從工作面南側向北側煤層底板逐步降低，其中最低處為A3向斜軸部附近，最高處為切眼附近。工作面順槽1079～1119m段有一古河床沖刷帶，并在工作面中分流沖刷，延伸至整個工作面，最大垂直沉積5～7m。

由于礦井接續緊張，在2101綜放工作面東側布置2102接續工作面， 工作面布置如圖1所示。

3 沖擊地壓發生因素分析

隨著開采深度的不斷增加，沖擊地壓的頻度和強度以及破壞程度也將逐漸增大。2101工作面開采深度達640m，根據國內礦井發生沖擊地壓的初始采深統計數據，各采掘工作面均已具備發生沖擊地壓的埋深條件，其主要影響因素如下。

3.1 煤層沖擊傾向性及頂板條件

煤層沖擊傾向性對強礦壓的發生具有顯著影響，是強礦壓發生的內在本質影響因素，經檢測2#煤屬于Ⅲ類強沖擊傾向性的煤層，2#煤頂板巖層彎曲能量指數為19.75kJ，屬Ⅱ類具有弱沖擊傾向性的頂板巖層。且該礦2#煤層上方有約28m中粒砂巖、32m礫砂巖等堅硬巖層。該砂巖頂板容易聚積大量的彈性能，在破碎或滑移過程中，可能會突然釋放大量的彈性能，形成強烈震動，也容易導致頂板型強礦壓的發生。

3.2 巷道優化布置

煤柱是產生應力集中的地點，孤島形和半島形煤柱可能受幾個方向集中應力的疊加作用，使得煤柱附近煤體應力集中程度大，因而在煤柱附近最易發生沖擊地壓。區段煤柱留設尺寸，影響煤柱及巷道應力分布，大煤柱留設容易造成煤柱及巷道側應力集中，巷道底臌、兩幫移近等變形明顯。留小煤柱易造成采空區貫通，不利于水、火有毒氣體的隔離。據統計，大約60%的強礦壓是由于鄰近煤層采空區中遺留煤柱或本層遺留煤柱引起的。2101及鄰近工作面采用雙巷布置，煤柱寬度20m。如圖2可以看出，煤柱應力很高，易引發沖擊地壓。

在巷道轉彎、交叉位置容易形成應力集中，產生大量震動，是容易發生沖擊礦壓事故的區域。由于地質條件的復雜性或生產接替需要導致2101和2102工作面布局不合理，巷道交叉多，造成采掘空間局部應力集中，顯著增加了沖擊礦壓發生的可能性。

3.3 地質構造

2101綜放工作面地質構造主要為A3向斜以及A1向斜，在這些地質構造區附近，由于存在著地質構造應力場，工作面經過A3向斜、A1向斜及古河床沖刷帶時在拉伸、擠壓應力的作用下會造成應力集中，在采掘活動的誘發下可能釋放能量而產生沖擊地壓。

該礦的地應力主要為水平應力，最大水平主應力在18.04～33.87MPa之間，屬于高及超高應力區。最大水平主應力與最小水平主應力的比值介于2.05～2.53之間，在量值上相差較大，這使得水平應力對巷道頂、底板的影響表現出較明顯的方向性。測點最大水平主應力方位角集中在239～255°之間，與該礦多數工作面順槽軸向夾角均大于59°，與多數大巷軸向夾角均小于31°，因此水平主應力對工作面順槽的頂、底板影響較大。

4 沖擊地壓綜合防治技術

4.1 加強支護

工作面運輸巷正頭采用一組端頭支架及3架過渡架支護，回風巷端頭采用3架過渡支架支護。超前支護段延伸至距煤壁不小于150m，采用單體配合鉸接梁進行支護，必要時采取架設U29棚或工字鋼棚等特殊措施。

4.2 預測預報

4.2.2 微震及地音監測

采用ARAMIS微震監測系統（圖3）、ARES-5/S地音監測系統（圖4）對工作面回采過程過覆巖結構形態變化及失穩情況進行實時監測，為工作面危險區域確定、沖擊預測提供可靠的依據。

4.2.2 KJ216礦壓監測系統

采用由頂板在線監測、工作面支架壓力監測、煤巖應力在線監測、錨桿（索）應力在線監測形成的KJ216礦壓監測系統對工作面回采過程中頂板來壓、煤巖應力集中及超前支護段錨桿（索）受力情況進行實時監測，結合微震及地音監測系統確定詳細的沖擊危險時空位置，為卸壓解危措施制定、實施提供有效的方案。

4.2.3 鉆屑監測

鉆屑法是通過在煤層中利用液壓鉆機打直徑Φ42mm的鉆孔，根據排出的煤粉量及其變化規律和有關動力效應、鑒別強礦壓危險的一種方法。經微震地音監測和KJ216礦壓在線監測系統確定的沖擊危險區域，必須進行鉆屑檢測。判別工作地點強礦壓危險性的鉆粉率指標如表1，當測定的煤粉超過臨界煤粉量，或者打鉆過程中出現卡鉆、 吸鉆等異常現象時，則表明該地點具有沖擊危險性，必須立即進行解危處理。

4.3 強礦壓危險解危方法

針對2101工作面強礦壓的特點，強礦壓防治工作應貫穿整個工作面的準備至回采階段。工作面回采前，可以采取在工作面兩側和底板施工大直徑卸壓鉆孔的措施降低強礦壓危險。工作面回采階段，強礦壓防治則可以采取邊回采邊監測邊治理的動態解危方法。回采過程中，除了超前工作面施工大直徑卸壓鉆孔外，對厚硬難冒頂板采取頂板深孔爆破措施致裂頂板，防止頂板突然斷裂造成沖擊。根據微震、地音和鉆屑法的監測結果確認已處于臨界危險狀態，應停止工作面回采并加密幫部及底板大孔徑卸壓鉆孔，直至鉆屑檢測值小于臨界值或在鉆進過程中無動力現象為止。

4.3.1 幫部大直徑鉆孔卸壓

根據礦壓特點，2101工作面前方150m范圍左右為應力峰值區域，該區域是強礦壓多發區域，是防治工作的重點，因此需超前工作面 150m對兩順槽煤壁施工大直徑鉆孔卸壓，使煤體深部具有較大面積的自由面，在保證巷道圍巖穩定性的同時能最大限度的卸壓。鉆孔方向與順槽煤幫垂直，孔徑Φ113mm，孔間距為1.4～2.8m，封孔長度3m，孔深13～20m，孔距底板1m左右。

4.3.2 底板大孔徑卸壓

超前工作面150m對工作面兩順底板進行大直徑鉆孔卸壓。鉆孔方向與回采方向一致，俯角60°，孔徑Φ113mm，孔間距1.4m，封孔長度3m，鉆孔長度10m左右，確保底板上方留設1m厚的煤層。

4.3.3 頂板深孔爆破

根據該礦強礦壓區域劃分，在2101工作面回風巷側有強沖擊危險性，應該進行頂板深孔爆破致裂頂板。頂板爆破范圍為工作面超前200m，深孔采用礦用風動鉆機及配套鉆桿施工，鉆孔直徑65mm，沿工作面推進方向頂板每10m布置一個鉆孔，沿巷道方向的鉆孔布置在距煤壁側約1.5m的頂板上，炮眼深度45m，單排布置，與水平方向成75°夾角朝向老頂方向。

4.4 安全防護

4.4.1 系統防護

（1）嚴格做好回風巷把口工作，生產期間，嚴禁任何人員進入回風巷。（2）回風巷超前400m范圍內除必要的作業人員外，無關人員禁止逗留，不得存放閑置物料，必須存放的物料和設備必須按要求進行捆綁。（3）運輸巷、回風巷保持壓風管路正常供風，每50m安設一組壓風自救裝置。（4）工作面生產實行遠距離供電、供液，移變列車必須安放運輸巷400m以外，并進行巷道軟包。

4.4.2 個體防護

（1）進入2101工作面的所有作業人員必須穿戴防沖背心和防沖頭盔，嚴禁摘掉防沖帽，必須穿齊個人防護用品。（2）定期對全員進行防沖基礎知識、專項防沖安全措施學習和培訓，經考試合格后方可上崗作業。

5 結束語

按照“預測預報、逢掘必卸、不卸不掘、強卸強支”的十六字方針，通過加強支護、實時監測預警及卸壓防治措施的有效落實，2101綜放工作面沖擊危害程度顯著降低，沖擊地壓隱患基本得到了控制，未出現大的沖擊地壓顯現事故，說明上述沖擊地壓綜合防治技術是科學有效的，它扭轉了沖擊地壓不可防、不可控的被動管理局面，有效地保護了職工的生命安全，最大限度降低了財產損失，有力地保障了礦井的安全生產。

參考文獻

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作者簡介：李孝波（1962-），男，研究生學歷，高級工程師，1986年畢業西安科技大學采礦專業，主要從事煤礦開采和管理工作。