千米深井半孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與綜合防治

楊賢江 梁東輝

（淄博礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山東 淄博 255120）

沖擊地壓是指煤礦井下巷道或者工作面周圍的煤巖體由于其內(nèi)部積聚的彈性變形能的瞬間釋放而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象，沖擊地壓發(fā)生時(shí)，經(jīng)常伴有煤巖體拋出、巨響和氣浪等。沖擊地壓具有很強(qiáng)的破壞性，有時(shí)會(huì)引起數(shù)百米巷道的嚴(yán)重破壞，是煤礦的幾大災(zāi)害之一。目前隨著我國(guó)淺部煤炭資源逐漸減少，煤礦開采深度逐漸增加，因而越來越多的煤礦受到?jīng)_擊地壓的威脅。煤礦井下開采時(shí)受到各種各樣因素的影響，為了保證工作面的正常接續(xù)，避免相鄰工作面之間采掘的相互影響，有時(shí)會(huì)采用跳采的方式進(jìn)行接續(xù)，從而產(chǎn)生非對(duì)稱結(jié)構(gòu)構(gòu)成的半孤島工作面，半孤島工作面的形成會(huì)使得工作面附近區(qū)域煤巖體內(nèi)的應(yīng)力分布更加的不均勻，增加沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。為保證該類工作面的安全生產(chǎn)，有必要對(duì)其沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，采取針對(duì)性的防治措施，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用。

1 工作面概況

高家堡煤礦為典型的大采深、多災(zāi)害并存礦井，目前主采4煤層埋藏深，102工作面標(biāo)高為 +112.1m～ +129.9m，地面標(biāo)高 為 +956.9m～+1142.6m，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。礦井地應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主，屬于水平應(yīng)力場(chǎng)類型，經(jīng)測(cè)定，高家堡煤礦最大水平主應(yīng)力在37.29～38.67MPa之間，屬超高地應(yīng)力區(qū)，此類型地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巷道頂?shù)装宓姆€(wěn)定較為不利。礦井也曾發(fā)生過多起大巷掘進(jìn)期間的強(qiáng)烈動(dòng)力現(xiàn)象，多次造成掘進(jìn)迎頭及已支護(hù)段出現(xiàn)大面積頂板瞬間下沉或切頂，下沉量最大700mm，厚度達(dá)200mm的支護(hù)體整體冒落，頂板錨索頻繁破斷，嚴(yán)重時(shí)期甚至導(dǎo)致皮帶掀翻、掘進(jìn)機(jī)發(fā)生顯著位移等現(xiàn)象。102工作面為礦井一盤區(qū)第三個(gè)開采工作面，在101面采空區(qū)及103面的東北側(cè)，與103工作面保護(hù)煤柱為6m，為典型的大采深半孤島工作面，工作面所采4煤屬于Ⅲ類，為具有強(qiáng)沖擊傾向性煤層。4煤的頂、底板巖層均屬于Ⅱ類，為弱沖擊傾向性的頂、底板巖層，在工作面回采過程中具有發(fā)生沖擊地壓事故的危險(xiǎn)性。

2 工作面非對(duì)稱圍巖結(jié)構(gòu)分析及沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

沖擊地壓的力學(xué)來源于工作面靜載荷以及動(dòng)載荷的疊加。其中的靜載荷有地應(yīng)力、支承壓力、構(gòu)造應(yīng)力、斷裂應(yīng)力等，動(dòng)載荷由采掘工作面生產(chǎn)過程中煤巖體的斷裂、頂板巖層的斷裂活動(dòng)、斷層的活化等產(chǎn)生的礦震形成。半孤島工作面特別的圍巖結(jié)構(gòu)形態(tài)決定了其沿空側(cè)巷道與實(shí)體煤側(cè)巷道圍巖位移和受力具有非均稱特性，特別是沿空側(cè)巷道處于動(dòng)壓區(qū)，頻繁的采動(dòng)影響導(dǎo)致其特殊的圍巖結(jié)構(gòu)，沿空動(dòng)壓巷道圍巖結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 半孤島工作面沿空動(dòng)壓巷道圍巖結(jié)構(gòu)圖

受鄰近工作面采動(dòng)影響，不同開采時(shí)期半孤島沿空動(dòng)壓巷道基本頂圍巖結(jié)構(gòu)不同，在開采之初圍巖結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，逐漸向圖1（b）轉(zhuǎn)變，此時(shí)頂煤和窄煤柱會(huì)迅速的由彈性體變成塑性體，承載能力降低。該階段巷道應(yīng)力集中較為強(qiáng)烈，圍巖變形較大，這就要求巷道的支護(hù)體在具有較高的支護(hù)強(qiáng)度的同時(shí)必須還能夠進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃巍Ｗ罱K半孤島工作面沿空巷道形成圖1（c）弧形三角塊結(jié)構(gòu)，此階段基本頂?shù)膸r層會(huì)出現(xiàn)斷裂以及旋轉(zhuǎn)下沉，對(duì)沿空巷道形成動(dòng)載荷持續(xù)性的靜載，進(jìn)而導(dǎo)致巷道的破壞和持續(xù)性變形，因此此階段對(duì)巷道的變形影響最大。

影響102工作面沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)的影響因素有：開采深度、煤層及頂板沖擊傾向性、頂板巖層結(jié)構(gòu)、采空區(qū)影響、煤柱留設(shè)、底煤厚度、斷層構(gòu)造影響、地貌地形等。為保證工作面的安全生產(chǎn)，行之有效的方法是對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)評(píng)價(jià)，劃定沖擊地壓危險(xiǎn)性，截止到目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究，已經(jīng)提出了多種評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)性的方法，以綜合指數(shù)法應(yīng)用最為廣泛。

根據(jù)高家堡煤礦影響沖擊危險(xiǎn)的7個(gè)地質(zhì)因素和12個(gè)開采技術(shù)因素并分析確定各因素的權(quán)重，依據(jù)綜合指數(shù)法計(jì)算得到工作面沖擊危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。

表1 102工作面沖擊危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

從表1可以看出，102工作面具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，由表中可見以地質(zhì)因素影響的沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)較高，表明地質(zhì)因素對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)性起主導(dǎo)作用。煤層上方有巨厚巖層，巨厚巖層在未破斷前由于持續(xù)懸頂會(huì)對(duì)下部的煤巖體產(chǎn)生持續(xù)的靜載荷，致使煤巖體內(nèi)彈性變形能持續(xù)積聚，在懸頂破斷時(shí)，還會(huì)對(duì)煤巖體施加一個(gè)較大的動(dòng)載荷進(jìn)而誘發(fā)沖擊地壓。上述因素綜合影響，使得102工作面的沖擊危險(xiǎn)性增加。另外，102工作面在掘進(jìn)過程中，留設(shè)底煤較厚，更進(jìn)一步增強(qiáng)了102工作面回采期間的沖擊危險(xiǎn)。

3 沖擊地壓治理方案

在沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，為及時(shí)有效的預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)程度，圈定可能發(fā)生沖擊地壓區(qū)域，盡快采取治理措施解除沖擊危險(xiǎn)，在正常回采過程中，采用ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)集中動(dòng)載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到礦井范圍內(nèi)微震事件的坐標(biāo)、能量以及數(shù)量等信息。利用KJ743煤礦沖擊地壓應(yīng)力無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和KJ216煤礦頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)集中靜載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)使用鉆屑法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，綜合以上信息進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)程度的判定，并制定以大直徑鉆孔卸壓為主、煤層爆破卸壓為輔的沖擊地壓治理方案。

3.1 大直徑鉆孔卸壓

由于102工作面沖擊危險(xiǎn)程度較高，在掘進(jìn)期間已按照1.6m間距對(duì)兩順槽布置了大直徑卸壓鉆孔，回采期間的常規(guī)卸壓方法仍以大直徑鉆孔為主，俯視圖如圖2所示。

圖2 大直徑卸壓孔俯視圖

（1）施工區(qū)域：自工作面切眼開始，施工位置位于巷道回采幫及底板。因煤層變薄等因素影響無法施工的地點(diǎn)除外。

（2）施工參數(shù)：鉆孔直徑150～153mm，鉆孔深度25m，距底板高度1.5～2.2m，使用黃泥封孔，封孔深度不小于2m。

（3）鉆孔間距：

① 強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)，施工雙排卸壓孔，孔間距0.8m，排間距0.5m，傾角與煤層傾角相同；

② 中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域施工單排孔，孔間距0.8m，傾角與煤層傾角相同；

③ 弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域施工單排孔，孔間距1.6m，傾角與煤層傾角相同。

工作面沿空側(cè)，由于其應(yīng)力異常集中現(xiàn)象更為明顯，且應(yīng)力集中程度更高，必要時(shí)可采取加密鉆孔間距的方式，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)的大直徑鉆孔卸壓處理。

3.2 煤層爆破卸壓

在監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊危險(xiǎn)時(shí)，且采用大孔徑卸壓效果不明顯時(shí)，應(yīng)對(duì)煤層實(shí)施爆破卸壓，工作面危險(xiǎn)區(qū)域爆破卸壓如圖3所示。

圖3 工作面危險(xiǎn)區(qū)域爆破卸壓示意圖

在工作面生產(chǎn)幫進(jìn)行爆破卸壓時(shí)，炮孔距離巷道底板1.2～1.5m，平行煤層傾向，孔深15m，直徑42mm，孔間距5m。裝藥長(zhǎng)度8m，共計(jì)8kg，采用正向裝藥，使用導(dǎo)爆索和1個(gè)毫秒延期電雷管起爆，在引爆藥卷的外端放入2塊水炮泥，其余全部用炮泥填實(shí)，同時(shí)起爆，封孔長(zhǎng)度不低于7m，一孔一放，鉆孔長(zhǎng)度小于8m不得裝藥爆破。

3.3 效果檢驗(yàn)

對(duì)于防沖的卸壓解危效果必須進(jìn)行解危效果檢驗(yàn)，一般是通過微震監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)和鉆屑監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)手段來對(duì)比解危前后各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化。若解危措施實(shí)施后，各監(jiān)測(cè)結(jié)果表明仍然存在沖擊危險(xiǎn)，則繼續(xù)進(jìn)行卸壓解危，并進(jìn)行再次效果檢驗(yàn)，直至沖擊危險(xiǎn)得到解除。同時(shí)根據(jù)工作面不同區(qū)域沖擊危險(xiǎn)程度的不同針對(duì)性的制定相應(yīng)的防沖措施，從防范與治理方面往下開展，在先后采取各種治理措施的同時(shí)及時(shí)采用鉆屑法進(jìn)行檢驗(yàn)，并確定下一部治理或者解危措施。

4 結(jié)論

（1）高家堡煤礦為典型的千米采深礦井，102工作面具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性，開采煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，底煤厚度大，具有厚硬頂板，都使工作面回采期間具有發(fā)生沖擊地壓事故的危險(xiǎn)性。

（2）半孤島開采圍巖結(jié)構(gòu)決定其沿空側(cè)巷道支承壓力容易發(fā)生異常集中，在工作面掘進(jìn)布置大直徑卸壓的基礎(chǔ)上，在回采期間采用大直徑鉆孔卸壓為主、煤層爆破卸壓為輔的沖擊地壓解危措施，特別是針對(duì)其半孤島的沿空側(cè)，必要時(shí)可采取加密大直徑卸壓鉆孔間距的方式，以進(jìn)一步降低工作面應(yīng)力集中程度，對(duì)保證工作面安全生產(chǎn)具有重要意義。

（3）在工作面采取沖擊地壓防治措施后，需及時(shí)對(duì)解危措施進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法有鉆屑法、微震監(jiān)測(cè)等，直至解除該區(qū)域沖擊危險(xiǎn)為止。