沖擊地壓工作面危險區域治理方案

王小軍，劉二帥

(陜西小保當礦業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著我國深埋煤層的不斷開采，由開采技術等系列因素引起的沖擊地壓事故對煤礦安全高效生產以及工作面作業人員生命安全等造成了嚴重的威脅。近年來，我國許多專家、學者對沖擊地壓的預測、預警以及防治措施等開展了深入研究。例如，姜耀東等[1]總結了我國煤礦發生沖擊地壓危害的特點，同時分析了沖擊地壓、巖爆和礦震之間存在的聯系與區別，并且建立了煤礦沖擊地壓的3種力學模型，即材料失穩型、滑移錯動型和結構失穩型。姜福興等[2-3]提出了一種基于自重應力基礎而疊加所有沖擊危險性因素產生的應力增量的沖擊危險性評價方法。朱峰等[4]針對沖擊地壓評價系統中指標權重難確定的背景，從而提出了一種“AHP+熵權法”組合賦權方法，該方法能通過引入拉格朗日函數，建立一種優化決策模型，來確保評價時主客觀權重與偏好間的一致性，進而獲得各指標的組合權重。張宏偉等[5]研究了煤礦自然地質條件與開采工程擾動效應對沖擊地壓災害的綜合作用，并且提出了防治沖擊地壓災害的預測、預警方法，同時建立了沖擊地壓地質條件評價和指標體系的方法。吳學松等[6-7]基于我國發生沖擊地壓煤礦的最新數據，從沖擊地壓致災機理、監測預警和防治技術3個方面歸納了我國煤礦沖擊地壓災害防控領域的研究現狀，同時也從煤巖介質屬性、環境應力以及賦存結構3個方面探討了沖擊地壓防控機理的研究現狀。曹民遠等[8]采用數值模擬與公式計算的方法，得到了綜采工作面過煤柱區域的應力分布，根據支承壓力的主導方向，分析了掘進工作面應力擾動疊加的影響，最后提出了近直立煤層動態權重評價法的計算體系。劉少虹等[9]針對巨厚堅硬巖漿巖床下煤層大面積采空后沖擊地壓頻發的問題，采用理論分析、數值模擬、現場實測等方法對巖漿巖床破裂運動誘發沖擊地壓機制進行了細致研究，從而建立了大面積采空區上堅硬巖漿巖頂板的三角懸臂梁理論模型，得出了巖漿巖床應力及能量分布特征。張傳玖等[10-11]為研究堅硬頂板綜放工作面沖擊地壓的主控因素和防治技術，采用微震監測系統和沖擊地壓應力監測系統通過分源監測分析，發現沖擊地壓主控因素為高靜載、強礦震和低支護強度，而多因素使得發生沖擊劇烈的危險區域的支護強度較低。

為此，擬通過現場實測、理論分析等綜合方法，以陜西某礦B2煤層203工作面開采為工程研究背景，確定沖擊地壓最危險區域，進而提出治理方案。

1 工程概況

陜西某礦的一采區位于+1 255 m水平I勘探線與Ⅶ勘探線之間，受地質構造的影響，區內褶皺不發育，斷裂展布與地質構造線一致，煤層走向大致為107°。采區走向長度為4 400 m，傾向寬度為700 m，面積達3.1 km2，其南、西邊界分別是礦井井田邊界，東邊界是東采區的東邊界，北邊界是201工作面采空區。203工作面位于一采區+1 255 m水平的西翼，東至運輸上山保護煤柱，南至井田邊界，北至201工作面，之間留設煤柱15 m；其上部是405與403工作面的采空區，標高在+1 302～+1 351 m的范圍，走向長度為1 550 m，傾向寬度為180 m。一采區可采煤層共6層，研究對象為B2煤層的203工作面，其煤層平均厚度為10 m，屬特厚煤層，故設計采高為3.5 m，放煤高度為6.5 m，傾角為14°。

2 203工作面沖擊地壓誘導因素評價

2.1 203工作面開采因素沖擊危險等級評價

表1 開采因素評價指標權重計算結果

由表1計算結果，綜合求得I010203工作面開采因素沖擊危險評價的最終模糊評判集B。

B=wi×Ri

(1)

經計算可得，B=[0.417 0.016 0.152 0.415]。按照“置信度”識別原則進行分析所得結果，設置信度λ=0.7。由k0=min|k：∑kμi>λ，k=1，2，…，n|，計算得k0=4。由此可得，203工作面開采因素的沖擊危險等級為四級，屬強沖擊危險等級。

2.2 203工作面沖擊地壓危險區域確定

根據203工作面沖擊地壓開采因素分析，以及沖擊地壓危險等級的評價結果，對203工作面沖擊地壓強危險區域確定如下。通過該礦開采實際資料并結合現場實測等手段，發現203工作面沖擊地壓強危險區域為“雙面見方”的區域，即推進520～580 m的區域。該區域受其它采空區周邊煤體的影響，同時為外錯405采空區的煤體(即進入405開切巷后區域)。

3 危險區域防沖預警方案

3.1 防沖原則

根據對該礦煤層開采技術條件及現場預防沖擊地壓的實際情況，應避免煤層開采過程中前方高應力的形成。203工作面必須充分考慮沖擊地壓防治，做到沖擊地壓防治優先于回采，必須提前完成；回采時必須提前考慮與201工作面之間留設的15 m煤柱如何進行有效處理，以防止回采期間煤柱受壓后其下部的運輸巷與回風巷局部發生形變。此外，對于監測手段和防治措施要根據實際條件不斷更新并優化，對于新的沖壓防治手段要積極借鑒與使用。

3.2 防沖技術路線

為做好203工作面的礦壓防治工作，不僅布置由點及面的監測預警系統，同時運用國內最有效的防治手段，即上順槽超前預爆破、上下端頭超前切頂爆破、工藝巷內超前深孔爆破等防治措施。該礦將根據203工作面開采中支承壓力的動態分布特點，不斷地優化完善方案，將各個防治手段聯合運用，從而形成一套適合該礦綜放工作面的沖壓防治技術，為后期綜放工作面的安全、高效回采提供技術保障。沖壓防治技術路線如圖1所示。

圖1 沖壓防治技術路線

3.3 203工作面危險區域防沖預警

3.3.1 探測系統

203工作面回采至危險區域時，開采應力的擾動與疊加是誘導沖擊地壓發生的根本因素。因此，對煤巖體應力分布的研究是預測沖擊地壓危險性的基礎。本方案首先通過地震層析成像技術對探測區域內煤巖的波速分布情況進行CT成像，然后研究利用應力與地震波波速的良好對應關系來確定煤巖應力的分布情況，進而預測分析其沖擊強度大小，及時采取解危措施，使應力得到釋放或轉向煤層深處，確保工作面安全推進。PASAT-M型預警微震探測系統如圖2所示。

圖2 PASAT-M型便攜式微震探測系統示意

3.3.2 探測方案

高臺縣位于河西走廊中部，海撥1 260 m，年日照3 088 h，年平均氣溫7.8～8℃，年均降水量105.9 mm、蒸發量2 000 mm左右，無霜期150 d左右。冬季寒冷、干燥，夏季干熱，春季多風，屬大陸沙漠干旱型氣候。

為了解203工作面回采前煤體應力分布情況，以及回采期間203工作面由上部實體區域進入405采空區后應力分布狀況，特對203工作面進行多次應力探測，本次采用采集端位于其輔運巷，共布置12個探頭，道間距15 m。激發孔共設計40個，其中運輸巷激發孔35個，炮間距5 m，工作面激發孔5個，炮間距17.5 m，探測走向范圍平均為150 m，可滿足研究需要。203工作面回采前與進入危險區域后PASAT-M型預警微震探測布置方案，如圖3、4所示。若在工作面回采至危險區域中出現臨界值超標、預警裝置報警等沖擊危險性，應立即對危險區域解危措施進行處理。

圖3 203工作面PASAT-M探測布置

圖4 203工作面過405開切巷后PASAT-M探測布置

4 203工作面危險區域治理方案

203工作面沖擊地壓危險區域的治理方案將采取多層次解危，即首先對下運輸巷危險區域在回采前進行一次解危，在回采時，再進行第2次解危。回采期間工作面卸壓將采取以工藝巷超前預裂爆破為核心的防沖手段，形成對頂板、頂煤的分層、分級、雙管齊下的防沖解危理念，即頂板處理方案和煤層處理方案。

4.1 203工作面頂板處理方案

頂板爆破就是將頂板破斷，降低其強度，釋放因壓力而聚集的能量，減少對煤層和支架的沖擊振動。在頂板彎曲下沉時，在條痕處形成拉應力而斷裂。因此在203工作面將使用超前深孔頂板預裂爆破技術處理頂板。

頂板處理高度確定：I010203工作面采高Hc平均為10 m，設頂板崩落厚度為Hx，巖石碎脹系數ξ為1.4，為保證冒落頂板能完全充填采空區，需使得公式(2)成立。

Hx×ξ=Hc+Hx

(2)

由式(2)可得，Hx=10/(1.4-1)=25 m。根據該礦地質條件，B2煤層上部33 m處為B3煤層，依據頂板處理高度的計算，為留有一定的富余系數，暫定203工作面頂板巖層處理范圍沿工作面頂板至上方25 m的垂直高度，剩余的8 m巖石在自然垮落后產生的壓力，會得到有效降解，不會產生較強的沖擊危險性。

炮孔直徑確定：采用深孔爆破預裂頂板時，一般炮孔直徑在70～100 mm。當炮孔直徑較小時，裝藥比較困難，且爆破影響范圍與炮孔爆破直徑成正比關系，炮孔孔徑小爆破效果較差，但當炮孔直徑太大時，封泥困難，會影響爆破效果。因此，預裂頂板借鑒201工作面回采期間經驗，炮孔直徑為φ94 mm。

炮孔深度確定：炮孔深度主要由頂板的厚度、工作面長度、煤層傾角、孔底距離、孔口距離確定，根據這些參數用做圖法進行確定。而炮孔深度不能太深，如果炮孔太長在裝藥中會增加很大的困難，且容易出現“卡孔”現象。

封孔長度確定：炸藥爆煤巖能力與封孔長度和煤巖體抗爆強度有關。若封孔長度過短，抗爆能力降低，在爆炸時會產生拋擲漏斗影響爆破效果，特別是將破壞兩巷道的穩定與支護；如果封孔長度大于其臨界長度，使爆煤巖能力小于抗爆能力，爆炸時封孔段煤巖體不能形成裂隙，同樣影響爆破效果。因此，合理的封孔長度，既要保證封孔段煤巖體松動預裂，同時又不能產生拋擲漏斗。根據一般情況，深孔爆破時封孔長度應為孔深的25%～30%，但考慮到爆破點距煤層頂板較近，容易造成架前漏頂事故，根據經驗爆破點應控制在煤層頂板上方5 m以上。綜上所述，炮眼采用ZDY-6000S、ZDY-1900、ZDY-1000型全液壓坑道鉆機施工，鉆頭為φ94 mm合金鋼鉆頭。

4.2 203工作面煤層處理方案

基于201工作面的實際回采經驗，其回采率在60%～70%之間，主要原因是頂煤大塊較多，頂板不易垮落，為進一步提高頂煤的回采率，實現頂板的自行垮落，降低沖擊危險性，故利用在工藝巷內施工煤層松動爆破孔，要求爆破必須超前工作面50 m左右完成爆破。利用工藝巷不僅處理頂板的同時使用煤層深孔爆破進行頂煤的預裂，孔間距為5 m，孔徑94 mm。要求封孔終端距比采高高1 m，防止推進過程中，出現架前冒頂的現象，煤層松動爆破布置方案如圖5所示。

圖5 煤層松動爆破孔

4.3 監測效果檢驗方法

通過爆破波在工作面介質中傳播的速度，可以探知工作面應力的分布情況，為工作面卸壓措施、手段提供數據。通過數據對比卸壓前后所探測的應力分布云圖，可以探知同一個區域卸壓前后的應力分布情況，及時了解卸壓是否達到效果。經檢驗，該監測效果符合治理需要。

5 結論

(1)基于該礦實測資料的研究，發現開采因素是導致203工作面發生沖擊地壓的主導因素；基于203工作面沖擊危險評價測定值，得出203工作面開采因素的沖擊危險等級為四級。

(2)根據開采因素及沖擊地壓危險等級的評價結果分析，確定了203工作面沖擊地壓強危險區域為“雙面見方”的區域，即進入405開切巷后區域。

(3)根據203工作面開采中支承壓力的動態分布特點，為203工作面回采前與進入危險區域后布置了PASAT-M型預警微震探測系統方案，并進行了效果檢驗。

(4)對203工作面沖擊地壓危險區域治理采取了超前深孔頂板預裂爆破技術處理頂板及工藝巷內施工煤層松動爆破孔處理煤層的雙重處理方案。