沖擊地壓防治“七模塊”技術體系與裝備及其應用

雒 軍 莉

（兗礦新疆礦業有限公司硫磺溝煤礦，新疆 昌吉831100）

1 概 況

硫磺溝煤礦可采煤層均具有沖擊危險性，在掘進工作面生產期間礦井可采取的手段僅由鉆屑法及動力現象顯現觀測，都是人為進行監測、觀測，存在較大的誤差性，在未監測到沖擊危險時也多次發生了動力事故。在實際生產過程中，由于工作面快速掘進，煤巖體內地質構造的不均勻性和煤體應力分布的不均衡性，會使工作面前方煤體內集聚的應力來不及充分釋放，新揭露的煤體處于劇烈的應力變化狀態中，致使煤體容易發生沖擊失穩的動力災害，而礦監控手段較為單一，缺少具有可靠的、可操作性的監控預警體系。因此，在開采沖擊地壓煤層時需進一步掌握發生機理以及監測手段。

2 詳細的技術推先內容

2.1 圍巖結構失穩的沖擊地壓機理

通過分析采深、地層結構、煤層結構、地質構造、開采方法和邊界條件對沖擊地壓的影響，揭示了煤礦深部開采存在2 類8 種誘發沖擊地壓的外部力源；通過分析深部巷道變形破壞形態，提出了煤礦深部開采過程中存在10 種易發生沖擊地壓的巷道圍巖結構形式。當煤礦深部開采具備發生沖擊的外部力源條件和存在沖擊傾向性圍巖結構時，外部力源將驅動圍巖結構易沖擊的部位向采掘空間或巷道內沖擊。基于外部力源驅動圍巖結構發生沖擊地壓的過程，提出了基于外部力源與圍巖結構相互作用及圍巖整體與局部穩定性綜合判別的沖擊地壓工程分類方法，其流程如圖2 所示。采用該分類方法，識別主導力源類型及沖擊災害形式，為有針對性進行沖擊地壓預測、預警與分類治理提供了理論基礎。

圖1 力源與圍巖典型結構

圖2 沖擊地壓工程分類流程

2.2 開采覆巖載荷三帶沖擊應力的計算方法

采動應力是誘發沖擊的主體力源。與傳統的反映覆巖運動變形破壞形式的“上三帶”模型不同，建立了以表達采動應力動態傳遞的深部煤層覆巖“載荷三帶”模型，將上覆巖層組

劃分為“即時加載帶”、“延時加載帶”和“靜載帶”（見圖3）。其中，即時加載帶是隨采隨動并形成承載結構的巖層組，包括直接頂、基本頂及其上方的部分巖層。隨著采場推進其運動產生的應力快速顯現于近工作面煤體，從而誘發沖擊；延時加載帶是指位于即時加載帶上方、隨采場推進需要較長一段時間才逐步發生離層和斷裂的巖層組，其運動產生的應力緩慢顯現于“拱腳”附近且易誘發沖擊；靜載帶是指位于延時加載帶上方直至地表、受采動影響較小且幾乎以靜載方式作用于采場圍巖的巖層組。該結構模型揭示了外部力源驅動圍巖結構發生沖擊的動應力作用機制。

圖3 深部開采覆巖“載荷三帶”模型

2.3 精準化預測方法、預警技術與裝備

2.3.1 監測預警方式

根據硫磺溝煤礦沖擊地壓發生的機理研究，針對掘進工作面，掘進工作面在迎頭（易發生沖擊性冒頂）及后方（漸進性蠕變型沖擊）均存在沖擊危險，掘進迎頭主要以大直徑鉆孔卸壓為主，掘進后方采取卸壓措施后仍需對圍巖應力和震動情況進行監測，進而對掘進巷道沖擊危險性進行綜合評價。因此，提出了對巷道開挖后周圍圍巖應力變化情況、支護錨桿（索）載荷變化情況以及圍巖震動情況等進行綜合預警。

KJ615 型煤礦沖擊地壓無線監測系統是在掘進工作面沖擊地壓發生機理的基礎上提出的。該系統基于以太網、無線傳輸、光纖傳輸技術，建立掘進工作面多參量實時監測、智能預警和分析平臺，對工作面地音信號、煤巖體應力、錨桿錨索應力等多參量進行實時監測，實現掘進工作面沖擊危險性的綜合預警。

依據圍巖應力與支護結構受力的耦合信息，可劃分三個重點監測區域：

1）迎頭區：塑性變形區，掘進頭前方15m 到后方10m，約25m 范圍。

2）后動壓區：塑性變形區，掘進頭后方10m 到后方60m，約50m 范圍。

3）監測參量：圍巖破裂場（震動）、應力場、支護力；

4）監測目標：掘進擾動后圍巖塑性變形對圍巖結構的破壞程度（破裂場），側向支承壓力變化趨勢及危險程度（應力場），支護的有效性及其穩定性（支護力）。

5）高應力蠕變區：塑性平衡區，掘進頭后方60m到后方260m，約200m 范圍。

6）監測參量：圍巖破裂場（震動）、應力場、支護力

7）監測目標：圍巖結構與支護結構耦合作用后，在應力環境下是否發生高應力蠕變，蠕變后的側向支承壓力變化趨勢及危險程度（應力場），支護力的有效性和結構穩定狀態（支護力）。

圖4 掘進巷道監測區域剖面圖

2.3.2 監測預警布置

煤礦沖擊地壓無線監測系統從硬件上分為地音模塊、無線應力模塊、支護應力模塊三個子系統。

1）應力監測布置方案。應力測點間距為25±5m/組，布置在巷道上幫，監測范圍為迎頭向后200m 范圍內，沿煤層傾角施工，鉆孔終孔位置位于煤層中。隨著掘進工作面向前推進，應力測點進行移組，推進25±5m 后，重新施工一組，實現循環監測（根據工作面掘進現場監測實際情況，測點間距可進行適當調整，測點間距控制在15～25m±5m。應力計安裝深度深孔為14m，淺孔為8m。

圖5 巷道應力計布置剖面圖

2）地音監測布置方案。共布置6 個地音測點，測點間距50m，最前方測點距迎頭不應超過50m。監測范圍為迎頭向后300m 范圍，測點布置在巷道頂板位置。3）錨桿（索）監測布置方案

共布置6 個測點，測站間距50m，最前方測點距迎頭不應超過50m。監測范圍為迎頭向后300m 范圍，測站布置在巷道頂板位置，每個測站布置錨桿、錨索測點各1 個，使用支護錨桿（索）或重新施工。

3 實際應用效果及推廣情況

以往開采期間因沖擊地壓災害頻發導致全礦采掘工程停工停產，通過應用特厚煤層開采沖擊地壓防治技術，合理設計采掘布局和生產接續，編制防沖規劃、防沖設計等，有針對性開展監測預警與卸壓解危，應用掘進工作面沖擊地壓綜合監測預警系統等沖擊地壓防治裝備，對沖擊地壓災害進行了有效治理，實現了安全生產。

4 經濟效益

安全采出受沖擊地壓威脅的煤炭132 萬t，按照噸煤平均售價135 元/t，噸煤平均成本113 元/t 計算。132 萬t×135 元/t=17 820 萬元，新增利潤：132萬t×（135-113）元/t×83%=2 410 萬元；新增稅收：132 萬t×(135-113)元/t×17%=494 萬元。

5 總 結

通過現場實施構建了煤礦開采沖擊地壓防治“七模塊”技術體系，通過實施涵蓋“分類、評價、解危、監測、檢驗、支護、管理”的“七模塊”防沖技術體系，提高了煤礦沖擊地壓防治的針對性，實現了沖擊地壓的分類分治，有效解決了巨厚硬巖地層、巨厚表土地層、條帶開采、孤島開采和巨厚復合煤層開采等復雜開采條件下的防沖難題。