高應力孤島工作面掘進期間沖擊地壓治理與監測

趙國宏 閆春杰

(開灤 (集團)有限責任公司唐山礦業分公司，河北省唐山市，063000)

唐山礦T2051西工作面屬于孤島煤柱開采，承受煤體高應力作用，再加上受工作面擾動影響，沖擊地壓危險性將更加突出。針對唐山礦T2051西孤島工作面掘進期間的沖擊地壓問題，采取了監測手段和防控解危措施，實現了孤島工作面的安全掘進，對類似條件下煤炭資源的開采具有一定的指導意義。

1 工作面概況

唐山礦T2051西孤島工作面北部為T2051、5058、5056北、5056、5054工作面采空區，南部為5050、5158、5154、5156工作面采空區，東部為F4斷層，是典型的孤島工作面開采，如圖1所示。工作面區域應力高度集中，礦壓顯現比較明顯。在其附近工作面回采過程中，曾發生過多次沖擊地壓事故。

圖1 T2051西工作面工程平面圖

T2051西工作面埋深為-502～-560m；煤層厚度2.2～2.7m，平均厚度為2.4m；煤層傾角為4°～13°，平均8°；頂板為深灰色泥巖、灰色和灰白色細砂巖。T2051西工作面區域斷層發育，共有5條斷層，其中一條距運輸巷起點827m，其余4條均位于回風巷。2條回采巷道沿煤層頂板掘進，巷道斷面尺寸為5.2m×2.5m (寬×高)。

2 T2051西工作面掘進期間沖擊地壓治理

2.1 沖擊地壓強度弱化減沖理論

在沖擊地壓強度弱化減沖理論中，采取松散煤巖體的方式降低煤巖體的強度和沖擊傾向性，達到解危效果。T2051西孤島工作面鄰近采空區，在掘進巷道的過程中，周圍煤巖體中存在著能量的積聚、轉移、釋放的過程。采用邊掘進、邊監測、邊治理的強度弱化減沖技術，即工作面掘進→沖擊危險監測→能量聚積→卸壓措施→能量釋放過程，可以將能量釋放出來，減小沖擊危險性，達到沖擊地壓治理的目的。

2.2 沖擊地壓危險區域劃分

通過對類似條件下沖擊地壓案例分析，結合T2051西孤島工作面的開采情況和構造條件，研究沖擊地壓發生的條件和開采環境等，并進行了危險區域的劃分。根據邊界型、構造型、復合型3種類型將T2051西工作面危險區域進行劃分，見圖1中橢圓形區域。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ區域主要是受采空區側壓影響的邊界型危險區域；Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ區域主要是受采空區側壓和斷層構造共同影響的復合型危險區域；Ⅶ區域是受到5050工作面采空區側壓的影響，加上巷道布置在高應力區內，受到超前支承壓力的作用，屬于復合型危險區域，沖擊危險性較大。其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ區域具有弱沖擊地壓危險，Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ區域具有較大沖擊危險。

2.3 沖擊地壓防治技術的應用

對掘進期間已劃分的沖擊危險區域采用沖擊地壓防治技術措施進行卸壓處理，防止掘進過程中發生沖擊地壓事故。

2.3.1 回風巷EF段掘進位置調整

T2051西孤島工作面回風巷經過EF位置 (圖1中的Ⅶ區域)，原EF回風巷位置與5050采空區煤柱最大距離為19m，由于5050工作面與5156工作面的開采原因，遺留了一部分煤柱，為盡可能的回收煤柱，使得T2051西工作面成刀把形狀開采，原計劃EF段回風巷距5050采空區煤柱19m進行直角拐彎，這樣會進一步導致EF段巷道處于側向支承壓力高峰區，受到較大超前支承壓力作用，巷道破壞性較大；通過對巷道支承壓力分布特征的分析，加上對相鄰工作面支承壓力分布的研究，得出內應力場一般為5～7m，要使巷道處于側向支承壓力的內應力場，受到較小的支承應力作用，才能夠保存巷道的完整性，經設計后改為在E1F1位置進行拐彎掘進，與5050采空區保留5m煤柱，E1F1段回風巷處于支承壓力的內應力場，所受應力減小，避免了掘進期間沖擊地壓事故的發生，如圖2所示。

圖2 回風巷EF段掘進位置調整前后示意圖

2.3.2 巷道卸壓

采取鉆孔卸壓和爆破卸壓方法對應力集中區域進行卸壓，同時充分利用運輸巷和回風巷兩側采空區遺留的原始巷道作為卸壓巷，使得應力向卸壓巷轉移，在減小巷道側向壓力的基礎上，進一步卸壓處理。由于運輸巷和回風巷橫穿了多條已回采完畢的原始巷道，這些巷道的應力處于疊加狀態，受到破壞后會失去平衡，釋放積聚的能量，因此在兩條巷道橫穿多條老巷位置的前后5m范圍內不采取卸壓措施。

(1)架柱式鉆機鉆孔卸壓。利用架柱式鉆機在煤壁上打鉆孔，破壞鉆孔周圍的煤體，使煤層卸壓、釋放煤層中積聚的彈性能，消除沖擊危險。在運輸巷掘進前期 (圖1所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ位置)使用架柱式鉆機在巷道煤壁上打大直徑鉆孔卸壓，每隔1m在巷幫兩側打?105mm的大孔徑鉆孔，孔深為6～10m，鉆孔距離底板1.2m，如圖3所示。

圖3 大直徑鉆孔卸壓示意圖

(2)爆破卸壓。爆破卸壓是對具有沖擊地壓危險的區域用放震動炮方法減緩其應力集中程度的一種解危措施。爆破卸壓屬于內部爆破，主要作用是使煤層產生大量裂隙，裂隙導致煤體彈性模量減小，強度降低，積聚的彈性能減少，破壞了沖擊地壓發生的強度條件和能量條件。具體措施為在T2 051西工作面掘進過程中的危險區域 (Ⅰ～Ⅵ、Ⅷ)進行爆破卸壓，使用煤電鉆打孔，爆破卸壓炮眼布置見圖4，孔徑為27mm，炮眼距巷道底板1.2～1.5m，炮眼間距為3m，孔深為8m，每眼裝藥量為450～750g，每次爆破孔數為3～5個，爆破后在爆破地點重新打孔，量取煤屑來驗證爆破前后煤粉量大小，以確定卸壓效果。

圖4 爆破卸壓炮眼布置

3 沖擊地壓監測技術

針對T2051西工作面的沖擊地壓危險區域劃分進行具體的沖擊地壓監測。采用應力在線監測法監測、鉆屑法監測和電磁輻射法監測相結合的沖擊地壓監測方法對危險區域進行實時監測。

3.1 礦壓應力監測布置

應力在線監測系統對沖擊地壓危險區域的監測可以即時觀測到監測區域的應力參數，為沖擊地壓的防治提供即時有效的數據。

將鉆孔應力計安裝在危險區域 (Ⅰ～Ⅷ區域)的巷道內，尤其是復合型危險區域 (Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ區域)觀測區域煤體在靜態和動壓影響下的應力變化情況。具體措施為每隔70m在巷道采空區側煤壁安裝一個鉆孔應力計，鉆孔直徑42mm；在巷道頂板中部、中線左右各1m處的錨桿端部各安裝1個錨桿測力計監測巷道頂板壓力；在運輸巷和回風巷頂板每隔30m安裝1個頂板離層儀監測頂板下沉情況，同時每隔30m布置一個巷道變形觀測點，監測巷道水平變形及頂底板移近量。

3.2 鉆屑法監測

鉆屑法是通過在煤體中打孔、通過測量鉆孔煤粉量的大小以確定相應的煤體應力狀態，并結合深度和動力效果來判斷煤巖體內應力集中情況，進而鑒別沖擊危險性的預測方法。依據圖1所劃分的危險區域Ⅰ～Ⅷ對T2051西工作面的運輸巷和回風巷兩幫進行鉆孔煤粉量的監測，根據煤粉量大小判斷其危險性，同時依據鉆孔鉆進過程的微沖擊現象和卡鉆、吸鉆等進行沖擊危險判定。鉆孔直徑?42 mm，孔深7.0m，間距5.0m，孔距底板1.2m左右，單排布置，鉆孔方向為水平垂直巷幫。

3.3 電磁輻射監測

煤巖變形破裂時，將會產生電磁輻射現象。煤體中應力越高，變形破裂過程越強烈，電磁輻射信號越強。T2051西工作面采用KBD5礦用本安型電磁輻射儀進行檢測，在危險區域Ⅰ～Ⅷ，特別是Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ范圍內的巷道每隔10m布置一個站點進行電磁輻射檢測，每個測站監測巷道兩幫、底板、頂板 (在卸壓巷區域不監測頂板)等多個測點。每班監測一次，每個點測量時間為2min。

對上述多種監測方法所得到的數據進行分析，結果表明所實施的沖擊地壓治理措施效果顯著，各個監測值均小于預警值且無異常，沖擊地壓危險得以消除，順利實現了T2051西工作面的安全掘進。

4 結論

在T2051西工作面掘進過程中，在對運輸巷和回風巷劃分了危險區域的基礎上，利用沖擊地壓強度弱化減沖理論，改變了回風巷拐彎段位置，采用了架柱式鉆機鉆孔卸壓和爆破卸壓的措施對危險區域進行了解危處理，成功避免了掘進過程中沖擊地壓事故的發生。并配合鉆屑法、應力監測法和電磁輻射法等監測技術實時監測，對所得到的監測數據及時進行分析、比較，掌握了T2051西工作面巷道的應力變化規律，取得了良好的經濟和社會效益。

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