特厚煤層綜放開采沖擊地壓防控技術研究與應用

趙振中 吳正海

摘要：為解決礦井開采過程中面臨的強沖擊地壓威脅，崔木煤礦通過多年的探索實踐，研究提出了一套強沖擊地壓特厚煤層綜放開采安全防控一體化技術，并在生產過程中從安全性、技術性和經濟性方面得到驗證，實現了全方位的防治沖擊地壓災害發生的目的，保障了礦井安全高效開采，取得了顯著的經濟和社會效益。

關鍵詞：沖擊地壓;防控;安全高效

中圖分類號：TD324 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0154-03

1概述

陜西永隴能源開發建設有限責任公司崔木煤礦設計生產能力為4.00Mt/a，服務年限為60.0a，采用綜采放頂煤走向長壁后退式開采，頂板管理方法為全部垮落法。根據地質報告和3#煤層及頂底板的沖擊傾向性參數測試鑒定及評價報告分析，礦井為具有強沖擊危險的沖擊地壓礦井。崔木煤礦回采工作面多次發生沖擊動力顯現，主要表現為煤炮聲巨大、炸幫炸頂嚴重，巷道變形劇烈、有瞬時底鼓現象發生，給礦井安全生產及職工人身安全帶來巨大威脅。因此研究建立特厚煤層綜放開采沖擊地壓防治管控一體化技術體系，對礦井安全高效開采具有重要的意義。

2特厚煤層綜放開采沖擊地壓綜合防控一體化技術

崔木煤礦根據能量理論、沖擊傾向理論、變形失穩理論、強度弱化減沖機理等理論綜合分析，系統研究沖擊地壓發生的主要力源、積聚過程、破壞形式等因素，并經過近五年的實踐探索，逐步構建了一整套有效的沖擊地壓防控管控“156”技術體系：重點是一個“區域先行、局部跟進”的防沖原則;“五強”防沖技術，即強卸壓、強監測、強防護、強支護和強培訓;六位一體的“預測評價、監測預警、卸壓解危、效果檢驗、安全防護、全員培訓”的綜合防治措施。

2.1預測評價

沖擊地壓危險性預評價包括兩方面內容：一是對新揭露煤層或新的開采水平進行沖擊傾向性鑒定;二是在此基礎上結合地質條件和生產技術條件，采用綜合指數法、多因素耦合法、地質動力區劃法、工程類比法和數學分析方法，對采掘過程中可能出現沖擊地壓危險的時期和區域，給出沖擊危險性綜合評價結果。

2.2監測預警

崔木煤礦采取區域監測手段與局部監測手段互相驗證的的監測預警模式，建立沖擊地壓多參量綜合監測預警模型，主要包括：（1）采用鉆屑法分析鉆孔周邊煤體內不同深度應力大小;（2）采用波蘭進口SOS微震監測系統分析煤巖體破壞規律及范圍;（3）采用KJ21應力在線監測沖擊危險區應力積聚變化情況;（4）采用巷道頂板離層觀測、巷道變形位移觀測和支架初撐力監測;（5）工作面采掘強度監測、地質構造影響監測;（6）在工作面還采用震波CT原理對工作面前方隱伏構造及高應力區分布進行探測。

2.3多級深孔卸壓爆破解危技術

根據各采掘頭面沖擊地壓形成機理、影響因素和危險程度不同，采用分源、分級沖擊地壓防治措施。主要采取“頂板深孔預裂爆破”、“底板大孔徑鉆孔及爆破卸壓”和“巷道幫部大孔徑深孔卸壓”等綜合防沖卸壓措施。卸壓措施根據施工目的不同可分為兩種，一是根據采前危險評價施工的危險區域采前預卸壓;二是根據監測預警危險區域的開展動態應急解危卸壓。

2.4效果檢驗

防治效果檢驗是沖擊地壓防治的一項重要的程序，檢驗方法包括：鉆屑法、煤體應力計、微震數據分析、鉆孔窺視等，經效果檢驗為安全后，方可生產。

2.5安全防護

常規的支護形式已愈來愈難以應對沖擊地壓的嚴重顯現，崔木煤礦根據沖擊危險評價結果改進優化錨網索支護方案，增強巷道支護強度，提高巷道抗災能力。同時對沖擊危險區域人員出入管理，配備了防沖服和防沖帽，用于發生沖擊地壓災害時，降低人員傷亡程度，減小事故災害程度。

2.6全員培訓

堅持開展全員培訓制度，對沖擊地壓分管負責人、防沖機構和防沖隊伍專業人員必須參加專業技術培訓;對涉及沖擊地壓防治的部門、采掘區隊和井下輔助單位的相關人員，必須進行沖擊地壓防治知識的普及教育，具備沖擊地壓防治的基本知識。

3多級深孔卸壓爆破解危技術應用

根據《崔木煤礦22304工作面回采期間沖擊危險性評價》分別從地質及開采因素進行分析評價，確定22304工作面的沖擊危險等級為強沖擊危險。另外工作面還將受正斷層DF4∠55°H=2.6m及切眼口另一正斷層195°∠70°H=0.6m的影響，當工作面向在斷層影響區域回采時，容易造成斷層滑移失穩，發生錯動，從而猛烈釋放能量，誘發沖擊地壓，影響工作面的安全生產。當工作面推至“周期來壓”、“見方來壓”位置時礦壓顯現劇烈，頂底板變形量大，此時易發生頂板冒落，是沖擊地壓的重點防治階段。為確保工作面安全回采，采取“頂板深孔預裂爆破”、“底板大孔徑鉆孔及爆破聯合卸壓”和“巷道幫部大孔徑深孔卸壓”綜合防沖卸壓措施。在方案實施過程中，根據現場實際情況的變化并結合沖擊地壓監測數據分析，對方案設計參數進行合理調整和優化。

3.1頂板深孔預裂爆破

采用頂板深孔預裂爆破有助于降低頂板垮斷產生的沖擊動載荷。如圖2，設計參數為：（1）在22304機巷與措施巷向回采幫頂板施工爆破孔，機巷三個一組，措施巷三個一組，控高約30～45m，A、B組爆破循環步距為20m;（2）在22304機巷沿巷道走向從里向外施工機巷頂板切頂孔，控高30～45m，J組爆破循環步距為10m;（3）在22304措施巷向風巷煤柱幫施工頂板爆破孔，終孔位置覆蓋巷道保護輪廓線15m，控高30～45m，F組爆破循環步距為10m。具體參數見表1。

3.2底板大孔徑鉆孔及爆破聯合卸壓

22304機、風巷回采期間兩幫受力向下傳遞時，底板煤體成為承載主體，在動壓載荷作用下易發生破壞，尤其具有沖擊傾向性的底煤本身具備集聚彈性能并發生沖擊破壞的特性。因此，針對現場條件，22304機巷采取底板爆破卸壓處理，22304風巷采取底板大孔徑泄壓處理。如圖3所示，22304風巷在回采幫和煤柱幫的幫部底角處，按間距3m，垂直于煤幫斜向下60°施工，卸壓孔深度施工至煤層底板，孔徑Ф133mm;22304機巷在巷道中部按間距3m，垂直底板向下施工底板爆破孔，孔深8m，孔徑Ф42mm，裝藥<3公斤，封孔≥3m。

3.3巷道幫部大孔徑深孔卸壓

根據現場條件，對22304工作面機、風巷幫部采用大孔徑深孔鉆孔方式進行卸壓。在幫部施工大孔徑卸壓鉆孔，垂直于巷幫布置，水平鉆孔，鉆孔直徑Ф133mm，鉆孔深度30m，機巷封孔長度2m，風巷封孔長度3m，鉆孔高度1.2m，孔間距3m。鉆孔設計參數如表2所示。

4防沖效果分析

在采取綜合卸壓措施后，工作面日常采用微震法、鉆屑法和KJ21應力在線監測等手段進行監測和效果檢驗。為使效果檢驗結果具有典型性，本文以工作面推至“見方來壓”位置時監測數據進行分析。

如圖4所示，根據近10天工作面見方來壓期間微震能量變化圖看出，工作面每天微震總能量3.12x105J～3.78x106J變化，根據《崔木煤礦微震監測定性定量分析預測預報方法》，評定22304工作面沖擊危險危險性為弱和中等。

如圖5所示，根據KJ21應力在線監測最大應力變化曲線圖看出，最大應力值在0.15-12.1MPa變化，根據崔木煤礦應力預警評價為無沖擊危險性。

另外，根據近7天見方來壓期間鉆屑法監測，22304工作面鉆屑量變化遠小于鉆屑量臨界值，說明工作面無沖擊危險性。

5結論

（1）采用SOS微震監測、KJ21在線監測等全方位、多層次的現代化沖擊地壓綜合監測系統，做到了及時有效識別出沖擊地壓危險源，實現沖擊地壓危險多參量綜合預警。

（2）崔木煤礦特厚煤層綜放開采沖擊地壓防治管控一體化技術體系的成功應用，有效降低了煤巖體中的應力和工作面沖擊危險性，取得了良好的防治沖擊地壓效果，為崔木煤礦持續安全高效開采奠定了堅實的基礎，對類似條件下礦井安全開采具有重要的推廣價值。