高應力煤柱下采場沖擊地壓防治技術研究

張金彪 劉明顯 馬 偉

（山東省七五生建煤礦，山東 微山 277606）

1 工作面概況

山東七五生建煤礦3下128工作面位于-624水平北一采區東部，東側為張莊逆斷層（H=0～30m），西側為F3-1斷層（H=8.6m）和3下126工作面采空區，南部靠近北一回風巷，北側為采區邊界；工作面上部為3上311工作面采空區，但是本工作面并不完全位于上部采空區下，切眼一部、軌道巷一部、運輸巷大部位于上部采空煤柱之下，即位于上部高應力煤柱區影響范圍內。如圖1所示。本工作面地面標高約+38.9～ +39.2m，井下標高約-590～ -630m，埋深約630～670m；工作面運輸巷長約578m，軌道巷長約627.6m，切眼長46m。

3下128工作面屬于深部高應力煤柱區影響下的斷層夾持型工作面。與實體工作面或沿空工作面相比，深部高應力煤柱區影響下工作面受上部采空煤柱高應力、本層采空高應力和斷層高應力疊加影響，沖擊地壓危險性更高。

圖1 3下128工作面平面圖

2 工作面沖擊危險性分析

2.1 工作面沖擊影響因素分析

（1）煤層及頂底板具有弱沖擊傾向性

3下128工作面所處的3下煤體單軸抗壓強度為15.645MPa，具有弱沖擊傾向性；煤層頂、底板均具有弱沖擊傾向性。

3下128工作面煤層及頂底板具備發生沖擊地壓的沖擊傾向性條件。

（2）開采深度較大

3下128工作面埋深630～670m。就埋深而言，工作面已具備沖擊地壓發生的深度條件。

（3）工作面位于上部工作面煤柱之下

3下128工作面上部為3上311和3上128工作面采空區，但是本工作面部分巷道位于上部采空區之外的煤柱之下，處于煤柱高應力影響范圍，存在較大沖擊地壓危險。

（4）覆巖運動的影響

3下128工作面基本頂為中砂巖，回采過程中頂板劇烈活動時，即基本頂初次破斷及工作面“見方”等階段，沖擊危險性較大，需要對其進行重點監測，提前采取鉆孔卸壓等處理措施，確保工作面避免發生頂板動力危害及頂板運動誘發的沖擊地壓災害。

（5）存在斷層構造

3下128工作面東西兩側被F3-1斷層（H=8.6m）和張莊斷層（H=0～30m）所切割和夾持形成應力孤島；并且工作面順槽掘進期間，揭露16條斷層。

在工作面接近斷層期間可能會出現應力集中現象，從而增加工作面沖擊地壓危險。

2.2 工作面沖擊危險區域劃分

通過對3下128工作面地質和開采條件的分析，進行了工作面沖擊危險區域的劃分，為后期防治沖擊地壓措施提供依據。圖2中①、③、④、⑥、⑦為受上部煤柱和斷層影響的強沖擊危險區，②、⑤為分別受斷層和埋深影響的中等沖擊危險區。

圖2 工作面沖擊危險區域劃分圖

3 沖擊地壓監測技術

3下128工作面采用以微震法、應力監測法和鉆屑法相結合的沖擊地壓監測技術進行工作面沖擊地壓的預測、監測和預報。

3.1 微震監測

在3下128工作面安裝了KJ551微震監測系統，微震監測系統能夠捕捉巖體破裂事件，并能夠對既發事件進行準確定位。根據微震事件的分布規律，判斷頂板運動情況和支承壓力的位置，進而根據頂板破斷情況和高應力區與煤壁的相對位置關系對沖擊地壓進行區域性預警。兩巷分別安裝3個微震檢波器，其中保持每巷1個底板、2個頂板。每個微震檢波器相距60～150m，根據工作面推采進度進行向外挪移，微震監測線路應避開供電供液設備。監測到的微震事件及時分析、總結，形成日報表，判斷沖擊危險程度。

圖3 微震監測設備布置圖

3.2 沖擊地壓實時監測

3下128工作面軌道巷、運輸巷從掘進開始，安裝KJ21煤體應力計，形成沖擊地壓實時監測系統，做到對整個工作面進行全面實時監測。組間距30m，每組傳感器水平方向分別安裝淺孔應力計（8m）和深孔應力計（14m），兩個應力計相距3m，觀測該區域煤體在靜態和在動壓影響（工作面采動影響）下的應力變化情況，結合鉆屑法等綜合監測沖擊地壓危險性。

3.3 鉆屑法監測

鉆屑法是通過在煤層中鉆直徑Φ42～45mm鉆孔，根據鉆孔在不同深度排出的煤粉量及其變化規律以及有關動力現象判斷沖擊危險的一種方法。主要進行沖擊危險性檢測檢驗。

4 沖擊地壓防治技術

3下128工作面采用以大直徑鉆孔卸壓、加強順槽支護和超前支護、危險區域主動防護為主的沖擊地壓防治技術。

4.1 主動強預卸壓技術

根據3下128工作面沖擊危險性評價，對中高度沖擊危險區開展超前預卸壓鉆孔技術。對巷道兩幫實施大直徑鉆孔，孔徑110mm，鉆孔深度20m，孔間距為中度危險區3m，強危險區2m，鉆孔距離底板一般0.5～1.2m，緊跟掘進工作面施工。回采前，超前200m對巷道兩幫加密實施鉆孔卸壓。

4.2 主動強支護技術措施

4.2.1 3下128工作面巷道支護

工作面兩順槽采用錨網索帶支護，錨桿Φ20×2400mm無縱肋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距均為900×900mm；錨索采用規格為Φ17.8×6200mm預應力鋼絞線，間排距為1800×1800mm，錨固到砂巖層中的長度不小于1.5m。

4.2.2 兩巷超前維護距離

工作面兩巷超前加強支護。其中強危險區域超前100m，中等危險區采區80m，布置3排支護，一梁一柱，柱距1.2m，單體支柱初撐力為114kN（12MPa）。在單體中部使用連接桿，上端拴防倒繩。

4.3 危險區域采取主動強防護措施

（1）沖擊危險管理區域錨桿、錨索要采取防崩措施，錨桿、錨索端頭用12#鐵絲擰緊固定在W型鋼帶或鐵絲網上。

（2）迎頭向外150m范圍為沖擊危險區域，必須實行掛牌管理，在起始點明顯位置設置攔繩網懸掛沖擊危險區管理警示牌和限員管理牌。

（3）沖擊危險區人員嚴禁摘掉安全帽，必須系好帽帶；不得坐在巷道底板或物料上休息，不得扎堆休息；不得在以下地點逗留：巷道高度不夠處、人行道安全間隙不夠處、錨桿失效或支護薄弱地點、錨索下方、設備或物料附近、靠近鐵質管路處。

（4）現場掛牌標注中等、強沖擊危險區域。強沖擊地壓危險的區域不得存放材料和設備；巷道內雜物應當清理干凈，保持行走路線暢通；對沖擊地壓危險區域內的在用設備、管線、物品等應當采取固定措施，管路應當吊掛在巷道腰線以下，并采取固定措施。

（5）采用遠距離供電供液，供電供液設備安裝于集中進風巷內，不受采動影響。

（6）工作面兩順槽必須設置壓風自救系統。應當在距工作面25～40m的巷道內至少設置1組壓風自救裝置。

（7）沖擊地壓礦井必須制定采掘工作面沖擊地壓避災路線，繪制井下避災線路圖。沖擊地壓危險區域的作業人員必須掌握作業地點發生沖擊地壓災害的避災路線以及被困時的自救常識。

4.4 效果檢驗

施工卸壓鉆孔后，密切注意微震監測數據、應力計監測數據和鉆屑量，觀察微震事件頻次與能量是否降低，應力計監測值是否降低到預警值以下，輔以鉆屑法檢驗，檢驗范圍包括沖擊危險區及上下30m范圍，每15m施工一個煤粉監測孔，如果檢測指標超過預警值時，必須進行二次卸壓，直至排除沖擊危險。

實施鉆孔卸壓等一系列沖擊地壓防治措施后，微震法、應力在線法和鉆屑法監測均未超過警戒值，說明卸壓效果良好。

5 結論

（1）通過對3下128工作面地質和開采條件的分析，得到工作面沖擊地壓主要影響因素為：煤層及其頂底板具有弱沖擊傾向性、開采深度較大、工作面位于上部工作面煤柱之下、覆巖運動的影響、存在斷層構造。并將工作面劃分為5個強沖擊危險區域和2個中等沖擊危險區域。

（2）制定了微震法、應力監測法和鉆屑法相結合的沖擊地壓監測技術，建立了以大直徑鉆孔卸壓、加強順槽支護和超前支護、危險區域主動防護為主的沖擊地壓防治技術體系。

（3）通過工作面沖擊地壓監測和防治技術的實施和效果檢驗，實現了工作面安全無沖擊回采，為類似條件下工作面沖擊地壓的防治提供了參考。