大平煤業井下巷道降低沖擊地壓方案的研究

薛朝云

（山西大平煤業有限公司，山西 襄垣 046200）

大平煤業有限公司位于山西省長治市，是集煤炭開采和銷售于一體的綜合性煤炭生產企業。7712綜采面為2018 年新投入的一個開采面，煤層的平均厚度為6.3 m，平均傾角為3.1°。煤層結構復雜，一般含夾石 2～4 層，L34 號孔多達6 層。夾石單層厚度一般不大于0.70 m，局部地段增厚達3.47 m。夾石巖性一般為泥巖、砂質泥巖或炭質泥巖，礦井開拓方式為立井單水平（+965 m 水平）開拓，采煤方法為走向長壁式綜放開采，自然垮落法管理頂板。該綜采面井巷開挖過程中，受沖擊地壓影響大，頻繁出現巷道垮塌、圍巖垮落現象，給煤礦井下的綜采作業安全造成了極大的隱患[1]。為了提升對井下沖擊地壓的控制效果，提升綜采作業的安全性，大平煤業成立了改善小組，在對井下巷道沖擊地壓發生原因進行分析的基礎上，針對性地提出了巷道沖擊地壓的綜合控制方案，包括建立沖擊地壓監測預警系統、大直徑鉆孔泄壓及爆破泄壓，取得了極好的控制效果，顯著提升了大平煤業井下綜采作業的安全性和效率，具有極大的應用推廣價值。

1 大平煤業井下巷道沖擊地壓發生原因及分類

7712 綜采面沖擊地壓發生的主要原因是綜采作業過程中在各種擾動作用下原來處于平衡狀態下的巖體結構遭到了破壞，使內部積聚的應力被突然釋放出來導致的。根據發生因素的不同，將7712 綜采面的沖擊地壓分為材料失穩型、結構失穩型、滑移錯位型沖擊地壓。

7712 綜采面材料失穩型沖擊地壓占比約13.6%，主要發生在井下綜采作業面掘進的過程中。當煤巖內的應力積聚到巖體可承受的極限后，煤巖內部自行產生裂紋，且隨著綜采作業的進行，裂紋不斷地擴大、加深，當巖層內部破碎到一定程度后就會導致巖體在一定范圍內的垮落。其垮落結構如圖1（a）所示。

7712 綜采面結構失穩型沖擊地壓占比約78%，主要發生在綜采過程的中期，是指隨著機械沖擊、擾動或者是采空區域頂板大面積的懸空出現垮落以及在其他不穩定因素作用下導致的井下圍巖、煤柱出現垮塌而導致的失穩。該類型的失穩產生的危害性較大。其垮落結構如圖1（b）所示。

712 綜采面滑移錯位型沖擊地壓占比約8.4%，主要發生在綜采作業的后期，是指在各類型的沖擊、擾動作用下不同煤層區域的煤巖的材料特性不同而導致的出現煤層錯位滑移、沖擊。其垮落結構如圖1（c）所示[2]。

根據對7712 綜采面2017 年以來沖擊地壓發生類型的分析，結構失穩型的沖擊地壓發生次數占據了全部沖擊地壓異常的78%以上。因此大平煤業主要針對該類別沖擊地壓的控制方案進行了研究，并建立了沖擊地壓預警監測體系及泄壓控制方案。

圖1 不同沖擊地壓形成原因示意圖

2 沖擊地壓監測預警系統

為了對礦壓沖擊情況進行及時監測和處理，大平煤業建立了煤礦井下沖擊地壓監測預警系統。該系統采用以PLC 控制模塊為核心的監測分析單元，利用分布在綜采面區域的震動傳感器對綜采作業過程中的微小沖擊情況進行監測，能夠滿足對超過100 J 的能力監測。當沖擊地壓超過系統設定的安全值時，將自動發出報警并對沖擊地壓波動區域進行標定。

該系統的工作原理在于采用了高敏感度的振動傳感器。實際工作時將該振動傳感器設置在井下巷道不同的監測區域，能夠實時對區域內的礦壓波動情況進行監測，滿足井下監測靈敏性需求。礦壓波動傳感器將監測到的礦壓波動情況轉換為電流信號，傳輸到PLC 控制中心。PLC 控制模塊對監測到的電流值進行對比分析，判斷其是否超過了系統設定的上限電流值。若超限則開始進行報警，便于作業人員對井下巷道支護結構進行檢查，確保井下支護結構的穩定性。

根據在綜采作業過程中沖擊能量的變化情況，可將大平煤業井下沖擊地壓監測預警系統的監測預警分為四個狀態[3]，各個狀態所對應的能量分布如表1 所示。

表1 各個警戒狀態等級分類

3 大直徑鉆孔泄壓及打孔爆破泄壓

為了降低地壓沖擊對綜采作業過程的影響，確保井下綜采作業的安全性，需要對井下巖層進行預處理，降低巖層內的應力集中。根據實際應用情況，大平煤業在井下7712 綜采面采用了井下大直徑鉆孔泄壓和打孔爆破泄壓的方案。

大直徑鉆孔泄壓采用在應力集中區域進行鉆孔的方式來使巖層內的應力集中釋放出來，消除綜采作業過程中巖層受力開裂的隱患。根據7712 綜采面的實際情況，其煤層結構較為復雜，煤矸石層較多，因此自進行大直徑鉆孔泄壓時，在鉆進面上設置7 組鉆孔，每組鉆孔的直徑為130 mm，鉆孔的深度約為50 m，各個泄壓孔之間的距離不小于2000 mm，鉆進過程中各個泄壓孔需要始終確保在采區超前50 m 處的泄壓范圍內。在鉆進的過程中如果出現鉆機的抖動說明遇到了較為明顯的應力釋放，此時需要將鉆機的鉆桿抽出，待穩壓后再繼續鉆機作業。

打孔爆破泄壓主要是指在不便于進行鉆孔泄壓，或者應力集中區域較深，鉆孔無法達到的區域內設置爆破孔，在孔內填充爆破藥，進行爆破的方式來釋放巖層內的壓力。7712 綜采面在設置大直徑鉆孔泄壓后，在巖層厚度大、結構強的地方，需進行爆破泄壓，確保能夠有效地對沖擊地壓進行控制。爆破孔的直徑設置為42 mm，各個爆破孔和巖壁垂直，孔深約為10 m，各個爆破孔之間的距離設置為2000 mm，內設的爆破藥量需要根據爆破需求合理設置。為了確保爆破效果，每個孔內的炸藥需采用“孔內串聯”的方式進行，設置2 組起爆導火索。爆破孔內的裝藥結構如圖2 所示[4]。

圖2 爆破孔內裝藥結構示意圖

通過在大平煤業建立井下沖擊地壓監測預警系統及實施大直徑鉆孔泄壓及打孔爆破泄壓，一方面能夠及時地對沖擊地壓發生的情況進行預警，提高井下綜采作業的安全性；另一方面通過采用大直徑鉆孔泄壓及打孔爆破泄壓的方案，主動對巖層內的壓力進行釋放，降低了在沖擊地壓沖擊下發生垮塌事故的概率。自該綜合控制方案在大平煤業應用以來，井下未發生因沖擊地壓導致的生產事故，極大地提升了井下綜采作業的安全性。

4 結論

針對大平煤業7712 綜采面在沖擊地壓的作用下極易引起頂板垮落、圍巖坍塌，造成嚴重的井下安全生產事故的現狀，本文在對復雜煤層條件下的巷道沖擊地壓的分類和發生原因進行分析的基礎上，提出了巷道沖擊地壓的綜合控制方案，根據實際分析表明：

（1）7712 綜采面礦壓沖擊主要包括材料失穩型、結構失穩型、滑移錯位型沖擊地壓，其中結構型失穩產生的危害性較大，在綜采作業過程中也最容易發生。

（2）根據在綜采作業過程中沖擊能量的變化情況，可將監測預警系統的監測預警分為四個狀態，不同狀態對應不同的警戒等級，能夠顯著提升對礦壓沖擊影響的監測效果。

（3）采用井下大直徑鉆孔泄壓和打孔爆破泄壓的方案能夠有效地降低沖擊地壓產生的概率。