孤島工作面沖擊地壓監測與防治技術

吳小斌

（山西焦煤西山煤電官地礦生產調度指揮中心，山西 太原 030022）

在實際生產過程中，針對具體煤層條件對沖擊地壓發生的前兆信息進行檢測，以檢測的信息對沖擊地壓發生的可能性做出準確的判斷，這種監測技術稱為沖擊地壓監測技術[1-3]。相對準確的沖擊地壓監測對于局部性解危措施的實施十分重要。鉆屑法監測、應力監測、頂板動態和圍巖變形監測是目前最主流的沖擊地壓監測技術，能實時地反應出煤體和巷道的受力狀態，本文綜合運用這些方法，為沖擊地壓的防治提供可靠的依據。

1 地質概況

西山煤電集團有限公司官地礦井田南北長約14967m，東西寬約12110m，井田面積為104.4974km2，共賦存01#、02#、03#、1#、2#、3#、5#、6#、7#、8上#、8#、9#、10#、11#等十四層煤，煤層總厚度20.09m，主要可采煤層為02#、2#、3#、5#、6#、7#、8上#、8#、9#煤，現開采2#、3#、6#、8#、9#煤。截至2016年底，井田工業儲量為12.8775億t，可采儲量8.283億t。礦井本身并非沖擊地壓礦井，但是在開采孤島工作面的時候，沖擊地壓顯現明顯，需要對此進行研究。孤島工作面礦壓顯現一般較為強烈，較強的礦山壓力極易導致沖擊地壓。特別是對沖擊傾向性明顯的礦井，對孤島工作面沖擊地壓的監測和防治，一方面可以充分開采煤炭資源，另一方面可以加強對礦山壓力的研究。

2 沖擊地壓監測方法

2.1 鉆屑法監測

極限煤粉量，指的是當煤體壓力達到臨界值也就是煤體壓力的極限值時所能產生的煤粉量的多少，可以作為發生沖擊地壓煤粉量的一個指標。

工作地點是否有發生沖擊地壓的傾向性可以以鉆粉率指數來判斷，見表1所示。在表1中所列的鉆孔深度內，當現場實際的鉆粉率達到所規定的值時或者出現鉆桿卡死現象，可以判斷所測工作地點有發生沖擊地壓危險的可能性。

表1 判別工作地點沖擊地壓危險性的鉆粉率指數

鉆屑法建議施工原則：對具有沖擊傾向性的工作面，以礦壓觀測為主，以不定時不定量鉆屑法抽查為輔；在一邊掘進一邊鉆探的工作面如果具有煤柱和斷層要切實做好前部掘進后部鉆屑法檢測工作，一旦檢測到危險，及時采取措施；在有沖擊地壓危險類型的工作面，及時做好鉆屑法檢測在掘進和回采期間的工作。

2.2 頂板動態和圍巖變形監測

2.2.1 頂板動態監測

在沖擊地壓危險區域和工作面超前應力檢測時采用頂板動態儀進行檢測。

將頂板動態儀放置在能發生沖擊地壓的危險區域和工作面超前區域，觀測該區域頂板變形情況，結合鉆屑法、應力在線監測等綜合監測沖擊地壓危險性。

2.2.2 圍巖變形監測

采用十字布樁進行工作面圍巖變形觀測。

3 沖擊地壓監測方法應用

沖擊地壓監測技術在孤島工作面及掘進工作面中的應用應根據孤島工作面的性質決定（即“凸頂”的形狀大小），“凸頂”的形狀大小決定了孤島工作面監測站點的布置方式，測站的布置又因掘進面和回采面的不同而不同。

（1）鉆屑法監測布置方案

工作面回采過程中的鉆屑法實施主要集中在兩回采順槽中。在順槽的煤壁側布置測點，進行監測，通過分析每米煤粉量確定和分析應力的大小和預計沖擊地壓危險程度。監測內容：單位長度鉆孔的鉆屑量，國際單位kg，另外還需檢測并記錄卡鉆、孔內沖擊等鉆孔動力現象。監測范圍要覆蓋工作面的超前支承壓力影響區，一般為從工作面至前方至少60m的范圍。在孤島工作面的規則區域、不規則區域鉆屑法監測布置方案如圖1所示。當不規則區域形狀為三角形時，不規則區域兩條巷道的鉆孔密度均調整為3m，超前60m。當不規則區域形狀為矩形時，不規則區域形狀變化側的巷道內鉆孔密度調整為6m超前60m。

圖1 回采工作面鉆屑法監測孔布置平面圖

（2）應力監測布置方案

鉆孔應力計安裝參數：鉆孔Φ42mm，孔深6m，間距5～10m（視危險程度而定），單排布置，鉆孔方向為水平垂直巷幫，見圖2、圖3。在孤島工作面的規則區域，應力計的布置密度為10m。當孤島工作面的不規則區域為矩形時，兩側巷道鉆孔應力計的密度為8m；當孤島工作面的不規則區域為梯形時，工作面形狀發生變化一側巷道鉆孔應力計密度為8m，另一側密度為6m；當孤島工作面的不規則區域為三角形時，兩側巷道的鉆孔應力計密度為5m。在回采過程中，如發現有應力超過預警值或者應力快速增大時，應提高鉆孔應力計數據的記錄密度，同時提高鉆屑法監測的鉆孔密度，確定沖擊危險性。

圖2 鉆孔布置縱剖面圖

圖3 鉆孔布置橫剖面

4 沖擊地壓防治技術

4.1 合理的巷道布置

基于礦山壓力分布規律的研究基礎上，正確選擇巷道的位置對于降低孤島工作面沖擊地壓的發生幾率，保證工作面的安全生產有重要的理論和實踐意義。

孤島工作面開采時工作面巷道位置和支承壓力分布特征如圖4所示。

圖4 巷道布置圖

現在對孤島工作面巷道位置分別進行分析。

4.1.1 巷道布置在A位置

A處位于原巖應力區，巷道布置在A處時受孤島工作面的影響小，在超前支承壓力作用下巷道變形小。但是煤柱留設尺寸大，工作面回采后煤柱不易回收，導致資源浪費，而且還給下部煤層開采帶來安全隱患，尤其是深部開采時或者具有沖擊傾向性下部煤層更加危險。

4.1.2 巷道布置在B、C位置

B位置位于規則區域的高應力區，在掘進時巷道圍巖的極限平衡狀態被打破，容易引起沖擊地壓事故。

C位置位于規則區域的高應力區，巷道的開掘會打破煤體的極限平衡狀態，使煤體的承載能力降低，促使圍巖應力和支承壓力重新分布。在巷道附近的集中應力與采空區集中應力的共同作用下，增加了圍巖應力程度和支承壓力集中程度，容易引起沖擊地壓事故。同時在C位置開掘巷道，也會增加孤島煤柱不規則區域的應力集中程度，不利于沖擊地壓防治。

4.2 合理的推進速度

圖5 支承壓力峰值位置與工作面推進速度關系圖

由圖5可見，支承壓力峰值與煤壁呈現非線性的對應關系。通常，剛開始時工作面的推進速度較低，然后逐漸升高，支承壓力峰值距離煤壁也會越來越遠，即支承壓力峰值外移。當推擠速度繼續增大時，支承壓力峰值向外移動的速率會逐漸減小。隨著推進速度的進一步增大，支承壓力峰值與煤壁的距離會保持在一個固定值，也就是L4。而實際開采活動中，工作面的推進速度會有個最大值（ V1）。當工作面停止開采活動時，即V=0時，支承壓力峰值會隨著時間地發展向煤壁內部運動，最終停留在L3，此時頂板停止運動，重新進入平衡狀態。

4.3 間歇式開采

間歇式開采，是指把多個孤島工作面作為一個整體，統籌卸壓和生產安排，在一個工作面開挖時對另幾個工作面進行卸壓處理，然后對卸壓工作面進行開采，對原開采工作面進行卸壓處理，以此往復循環，對孤島工作面提前卸壓處理。間歇式開采的實質就是能量釋放和回采工作的統籌安排。在工作面高應力集中區采用密集鉆孔、爆破卸壓等方式進行卸壓，對孤島工作面進行注水軟化以降低煤體沖擊危險性[4]。

針對“凸頂”部分不同形狀和面積，合理采用一種或幾種卸壓手段，消除高應力集中，使工作面的沖擊危險性降低或消除，從而達到防治沖擊地壓的目的。孤島工作面常用的卸壓手段有注水軟化、煤層卸壓爆破、斷頂爆破等。

當“凸頂”為三角形，且面積小于25m2時，對工作面不規則區域進行注水軟化。注水參數，如注水壓力、注水時間、注水孔深度根據煤層具體物理屬性和應力環境確定。實踐證明，煤層注水可以很好地改變煤體的物理力學性質，減弱或消除沖擊危險發生的可能性。在巷道掘進時可以不改變掘進方向，在“凸頂”旁邊直接開挖巷道。

當“凸頂”面積在25～100m2時，采用注水軟化和煤層爆破卸壓相結合的方式，對不規則區域進行卸壓處理，直到監測指標都不超限。

當“凸頂”面積大于100m2時，采用煤層爆破卸壓和采空區頂板深孔斷頂的方式卸壓。實踐證明，煤層爆破卸壓和采空區頂板深孔斷頂相結合能有效地降低孤島面不規則區域的應力。

5 結論

本文綜合運用了以鉆屑法監測、應力監測、圍巖變形監測相結合的沖擊地壓監測技術。通過對巷道布置在孤島工作面不同位置時的沖擊地壓危險性進行分析，可確定孤島工作面回采巷道布置位置。采用設計合理的推采速度，在不規則區域或高應力區實時降低推進速度，利于能量的有序釋放，可降低沖擊危險性。提出了間歇式開采、確定了間歇式開采的解危手段。