掘進(jìn)工作面沖擊地壓的防治研究

王 翔

（大同煤礦集團(tuán)宏泰礦山工程建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003）

大同煤礦集團(tuán)燕子山礦是一座設(shè)計(jì)能力為4Mt/a的特大型現(xiàn)代化礦井，井田走向長(zhǎng)8.8km，傾斜寬6.6km，面積58km2。燕子山礦在開(kāi)采過(guò)程中，沖擊地壓事故頻繁發(fā)生，導(dǎo)致了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此該礦對(duì)掘進(jìn)工作面沖擊地壓的防治工作非常重視。同煤集團(tuán)公司安排宏泰礦山工程建設(shè)公司對(duì)燕子山礦8200工作面沖擊地壓的防治工作進(jìn)行實(shí)踐研究。

1 工作面概況及沖擊危險(xiǎn)性分析

燕子山礦8200工作面位于十采區(qū)東北部，與8202工作面相鄰。8200下順槽沿8202采空區(qū)相隔4.50m的煤柱沿空掘進(jìn)。該面地面標(biāo)高50.52～57.06m，平均 54.52m。工作面標(biāo)高 -410～-580m，平均-495m。由8200工作面概況可知，隨著工作面的回采，將形成“C”型覆巖空間結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

從圖1可以看到，基本頂上方3個(gè)采空區(qū)巖層組合在一起構(gòu)造成為“C”型結(jié)構(gòu)，造成了超前支承壓力影響距離增大2.52～3倍左右。隨著工作面回采的推進(jìn)，“C”型結(jié)構(gòu)在以下三個(gè)推進(jìn)階段因大面積運(yùn)動(dòng)會(huì)誘發(fā)沖擊地壓的危險(xiǎn)。第一，基本頂初次來(lái)壓階段。通過(guò)與同煤集團(tuán)同類型工作面對(duì)比，該工作面基本頂來(lái)壓步距為50～65m，破裂的巖層高度為煤層上方30～40m。斷裂過(guò)程會(huì)有應(yīng)力的集中和突變，從而容易誘發(fā)沖擊地壓危險(xiǎn)。第二，工作面采空區(qū)見(jiàn)方階段。當(dāng)工作面推進(jìn)至130～150m時(shí)巖層破裂高度達(dá)70～80m，斷裂過(guò)程也會(huì)有應(yīng)力的集中和突變，應(yīng)力峰值將達(dá)到80～90MPa，容易發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)。第三，正常推進(jìn)、基本頂周期來(lái)壓階段。該階段應(yīng)力峰值將達(dá)到60～80MPa，容易誘發(fā)沖擊地壓危險(xiǎn)。

根據(jù)沖擊地壓發(fā)生可能性評(píng)價(jià)指標(biāo)，在該工作面中間巷區(qū)域的相關(guān)U值為0.966，基本判定該區(qū)域有發(fā)生沖擊地壓的基本條件，當(dāng)有斷層、巖層強(qiáng)烈的斷裂活動(dòng)時(shí)就容易誘發(fā)沖擊地壓危險(xiǎn)。

2 工作面回采前卸壓措施研究

通過(guò)分析，8200工作面具備了發(fā)生沖擊地壓的條件，且與8200工作面條件相似的8204工作面已有沖擊地壓危害發(fā)生。因此決定通過(guò)深孔爆破斷頂和打大直徑卸壓孔對(duì)8200工作面進(jìn)行提前卸壓。

2.1 深孔爆破斷頂卸壓

2015年12月6 日至2016年4月13日之間在工作面上平巷下幫、上副巷下幫內(nèi)對(duì)煤柱區(qū)和上平巷進(jìn)行了深孔爆破卸壓，針對(duì)燕子山礦8200工作面的實(shí)際情況，確定該工作面深孔爆破卸壓的實(shí)施方案。炮孔直徑：65mm。炮孔間距：炮孔水平間距2500mm。炮孔深度：設(shè)計(jì)煤層孔深30m可以達(dá)到最佳爆破效果。封孔長(zhǎng)度：根據(jù)對(duì)封孔長(zhǎng)度的研究，取孔深的30%作為封孔長(zhǎng)度。該工作面上平巷頂板、煤層、底板孔深為40m、30m、30m，封孔長(zhǎng)度分別為12m、9m、9m。采用“局部并聯(lián)，總體串聯(lián)”的連線方式進(jìn)行。爆破使用MFB-200型起爆器，炸藥采用硝銨炸藥，導(dǎo)爆索引爆。為防止鉆孔爆破給工作面回采帶來(lái)安全隱患，煤層孔未裝藥爆破，頂?shù)装邈@孔裝藥量為20 kg/孔，每次同時(shí)引爆4～5鉆孔。

2.2 大直徑卸壓鉆孔卸壓

各順槽兩幫打大直徑卸壓鉆孔（直徑大于100mm），每1～10m布置一個(gè)鉆孔，孔口距底板0.5～1.5m，平行于頂板，孔深9m。工作面回到最小控頂距，沿工作面煤壁每10～30m布置一個(gè)大直徑卸壓鉆孔，孔口距底板0.5m左右，考慮到該工作面為薄煤層，因此大直徑卸壓鉆孔平行于煤層頂?shù)装濉?duì)上順槽全部實(shí)施頂板、煤層、底板鉆孔卸壓工作，并將卸壓范圍控制超前壓力影響范圍150m外。鉆孔布置在上順槽下幫，孔間距1.6m，每組三個(gè)孔，頂板孔為仰角，孔深30m，煤層孔為俯視，孔深25m，底板孔為俯視，孔深30m。

在深部卸壓孔附近打小孔進(jìn)行觀察，在8～10m時(shí)鉆入困難或動(dòng)力現(xiàn)象非常強(qiáng)烈，表明還需要繼續(xù)在大直徑卸壓孔內(nèi)進(jìn)行深孔爆破卸壓措施。

3 沖擊地壓危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)體系

針對(duì)燕子山礦8200工作面沖擊地壓的危險(xiǎn)情況，建立了以鉆屑法和鉆孔應(yīng)力計(jì)為主的監(jiān)測(cè)體系，同時(shí)還輔助礦壓觀測(cè)法和巷道變形位移測(cè)量法來(lái)保障檢測(cè)體系的完整性。

3.1 鉆孔應(yīng)力計(jì)的監(jiān)測(cè)

8200工作面采用煤炭科學(xué)研究總院生產(chǎn)的多點(diǎn)鉆孔應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，該工作面布置三個(gè)測(cè)區(qū)，在距離開(kāi)切眼55m、150m和250m處分別布置鉆孔應(yīng)力，布置深度5m、10m、15m、20m、25m，鉆孔間距1.5m，具體位置可見(jiàn)圖2。通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)作為評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)性及卸壓效果的依據(jù)。

圖2 工作面鉆孔應(yīng)力計(jì)布置示意圖

3.2 鉆屑法的監(jiān)測(cè)

鉆屑孔布置：8200工作面兩巷，主要布置在支承壓力影響范圍以內(nèi)，其中回風(fēng)平巷3個(gè)鉆孔，下幫2個(gè)，上幫1個(gè)；進(jìn)風(fēng)平巷4個(gè)鉆孔，上幫3個(gè)，下幫1個(gè)。實(shí)際施工時(shí)，為避免端頭部分的大型生產(chǎn)設(shè)備對(duì)施工造成不便，鉆孔位置可適當(dāng)遠(yuǎn)離工作面，但同時(shí)為獲取高應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的有效數(shù)據(jù)，最終位置不應(yīng)超過(guò)支承壓力影響范圍。鉆孔分布示意圖如圖3所示。

圖3 鉆屑孔布置示意圖

鉆屑孔參數(shù)設(shè)計(jì)：直徑42mm，孔深10m，孔距底板1～1.5m，單排布置，鉆孔方向平行于煤層。監(jiān)測(cè)內(nèi)容：主要監(jiān)測(cè)鉆孔5～10m范圍內(nèi)每米鉆孔的鉆屑量，記錄了卡鉆、吸鉆、孔內(nèi)沖擊等情況。施工方法：采用MK-15型煤電鉆和ZQS-65/2.5手持式氣動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行施工，采用插接式高效螺旋鉆桿，每節(jié)長(zhǎng)1m，Φ42mm鉆頭，鉆孔深度10m。

4 沖擊礦壓防治的效果

通過(guò)工作面初次來(lái)壓階段的鉆孔應(yīng)力計(jì)和鉆屑量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)沖擊地壓防治效果進(jìn)行分析。該工作面2016年1月18日回采到1月26日鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，隨著深度從10m、15m到20m的遞增，應(yīng)力計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)逐漸地減小，在深度為20m處的應(yīng)力計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)減小非常明顯。1月18日期間在20m處的鉆孔應(yīng)力為最大值，后期隨著工作面的回采檢測(cè)數(shù)據(jù)逐漸變小，所以當(dāng)工作面推采到1月18日時(shí)，鉆孔應(yīng)力計(jì)距工作面為19m左右，即走向的峰值位于工作面前方19m左右，而此時(shí)的應(yīng)力值達(dá)到26MPa左右。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和工程類比，可以推定該工作面在基本頂初次來(lái)壓階段，斷裂之前及斷裂過(guò)程會(huì)有應(yīng)力集中和突變現(xiàn)象發(fā)生，引發(fā)工作面的沖擊地壓危害，此時(shí)瞬間應(yīng)力峰值將可達(dá)50～60MPa，沖擊地壓防治措施實(shí)施后鉆孔應(yīng)力計(jì)檢測(cè)峰值為26MPa，對(duì)于50～60MPa應(yīng)力峰值降低一半。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明通過(guò)深孔爆破斷頂和打大直徑卸壓孔的沖擊地壓防治措施對(duì)于該工作面的防治效果明顯，能有效地保障該工作面的開(kāi)采安全。

同時(shí)從上、下順槽鉆屑量來(lái)看，在初次來(lái)壓范圍內(nèi)的鉆屑量都比較小，表明提前預(yù)卸壓措施較好，達(dá)到了設(shè)想的效果。

5 結(jié)論

本文針對(duì)同煤集團(tuán)燕子山礦8200工作面沖擊地壓的防治設(shè)計(jì)了深孔爆破斷頂卸壓和大直徑卸壓鉆孔卸壓方案，同時(shí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的沖擊地壓危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)體系。通過(guò)對(duì)燕子山礦8200工作面的初次來(lái)壓和工作面見(jiàn)方階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的結(jié)果都是安全的，尤其是在工作面見(jiàn)方階段，鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和鉆屑量數(shù)值都較低，處于臨界值以內(nèi)。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)表明該沖擊地壓防治措施效果非常好。有效地保障了8200工作面工作面的安全開(kāi)采。