特厚煤層工作面末采期間防沖技術研究

張 琦 鄭興博 王懷遠

（山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274900 ）

本文以特厚煤層沖擊地壓事故礦井災害防治為例，主要針對事故后礦井恢復生產及安全回采進行研究。考慮到現在對于已發生沖擊地壓事故礦井恢復生產的條件沒有具體的評判指標，基于初步研究成果[1-4]對沖擊地壓事故礦井工作面恢復生產前開展了沖擊危險性評價和防沖設計，從而為工作面安全恢復生產提供依據。

1 工程概況

8301綜放工作面為山東新巨龍能源有限責任公司-980 m水平八采區首采面，如圖1。工作面埋深約900 m，煤層平均厚度9.06 m，工作面傾向寬度260 m。目前推采位置上巷距離-980 m邊界運輸下山360 m，下巷距離-980 m邊界運輸下山270 m，工作面處于末采撤架，需要繼續推進15 m進行刷幫撤架。在工作面準備末采撤架時，礦井2305S工作面發生了沖擊地壓事故，造成了礦井停產整頓。在礦井沖擊地壓事故處理完成后，需要進行該工作面復產末采。該工作面自2月22日起停產，4月24日復產，由于工作面發火等問題，需要再推采16 m，而后刷幫15 m進行撤架。該工作面事故發生前僅在上、下平巷施工大直徑鉆孔卸壓措施，事故發生后在上、下平巷增加了頂板爆破措施，在下山巷道煤巷影響區域施工了大直徑卸壓鉆孔和底板爆破措施。

圖1 8301工作面示意圖

綜上，需要對該工作面末采期間的沖擊危險性進行評價，并制定針對性的防沖措施，保證工作面末采期間的安全。

2 沖擊危險性評價及危險區域劃分

2.1 綜合指數法

采用綜合指數法對8301工作面末采期間的沖擊危險等級進行評價，地質因素影響下的沖擊危險指數Wt1為0.62，開采因素影響下的沖擊危險指數Wt2為0.21。綜合其末采期間的地質及開采因素，沖擊危險指數Wt為0.62，具有中等沖擊危險等級。

2.2 震波CT探測

工作面停采前在超前范圍內施工了大直徑卸壓鉆孔，但由于停采時間較長，需對開采前的靜載荷進行重新探測評估，采用PASAT-M型便攜式震波CT探測系統對8301工作面及末采期間對應的下山區域進行了震波CT原位探測，綜合震動波波速的異常系數、波速梯度構建評價模型，評估了末采期間影響區域的沖擊地壓危險狀態。

綜合考慮8301工作面末采和大巷附近構造區域分布情況及周圍開采環境，并結合現場實際和設備能力，在8301工作面停采位置以外約350 m范圍開展CT探測。參數為：每放1炮19道接收，平均道間距（探頭間距）約18 m，平均炮間距約6 m。信號線一端設置在采集端19號探頭位置，另一端設置在激發端54號炮孔位置（距離回風下山20 m），1號炮孔距工作面5 m，此次實驗需要信號連接線約700 m。

現場試驗在3月18日完成，實際爆破激發測點54個，8301下平巷、上平巷探測范圍分別為330 m、360 m。試驗過程中，設定采樣頻率2000 Hz，檢波器工作頻段5～10 000 Hz，增益20 dB，采樣長度0.512 s，激發孔內每孔200 g炸藥，短斷觸發。

圖2為8301工作面探測區域沖擊危險性指數C分布圖。圖中黑色從小到大來代表探測區域內沖擊危險性指數，區域內C最大值為0.75，最小值為-0.3。根據評價模型，可知圖中可見測區內的煤巖體總體上處于中等沖擊危險等級。

圖2 8301工作面震波CT探測示意圖

2.3 沖擊危險區域劃分

根據8301工作面末采期間沖擊地壓主要影響因素分析結果，集中靜載荷影響作用主要包括煤層沖擊傾向性、開采深度、構造、采動應力、底煤厚度等；主要的集中動載荷因素為末采時的頂板垮斷擾動。因此，用于沖擊危險區劃分的多因素分別為煤層沖擊傾向性、開采深度、底煤、地質構造、超前支承壓力、巷道交叉、頂板特性。

綜上，在理論分析、技術探測的基礎上，通過多因素耦合分析，劃分了8301工作面末采期間的沖擊危險區域，如圖3、表1。不同沖擊危險等級區域采用不同圖例和顏色標定在采掘工程平面圖上。圖3中，弱沖擊危險區域共計8個，中等沖擊危險區域共計6個，強沖擊危險區域共計4個。

圖3 8301工作面沖擊危險區域示意

3 沖擊地壓防治

根據工作面末采期間的沖擊危險區域劃分，采用“分源防控、分區治理”的沖擊地壓防治理念，制定了工作面末采期間的沖擊地壓防治及監測預警方案。

3.1 沖擊地壓防治方案

針對8301工作面沖擊地壓發生集中動載荷與集中靜載荷影響因素分析，開展針對特定危險源的分源治理技術。針對煤體內的集中靜載荷，采用煤層爆破卸壓和大直徑鉆孔的方法進行高應力疏解；而針對煤層上方的堅硬頂板則采用深孔預裂爆破技術對頂板進行預裂處理；對于巷道留底煤及底板高應力區域，主要采用底板爆破進行處理。

（1）煤層大直徑鉆孔

根據8301工作面現場打鉆過程中的動力顯現，初步確定巷道應力集中區距離巷幫9～22 m，故設計鉆孔深度25 m。根據不同區域的沖擊危險程度，確定強、中等和弱沖擊危險區域的大直徑鉆孔間距分別為1 m、1.5 m和2 m。為便于施工，孔口高度一般為1.0～1.5 m。

（2）頂板爆破

8301工作面屬于末采期間，考慮其對下山巷道的影響，在上下平巷停采線位置各布置一組頂板爆破孔。爆破孔參數見表2。

表2 停采線位置頂板爆破參數

（3）底板爆破

對于工作面末采期間上、下平巷及下山留底煤及底板高應力區域，應在巷道兩側底角處采用底板爆破進行沖擊地壓防治。底板爆破參數見表3。

表3 底板爆破參數

3.2 沖擊地壓監測預警方案

根據工作面末采期間的沖擊地壓發生機理及危險區域劃分，采用分源監測的預警理念對工作面末采期間的沖擊危險性進行監測預警。即采用微震監測對工作面開采過程中的動載進行監測，采用應力監測對工作面開采過程中的靜載進行監測。

（1）微震監測-動載

根據工作面的實際情況，采用ARAMIS M/E和KJ551微震監測系統，監測工作面回采期間的動載，如圖4。

圖4 8301工作面微震監測示意圖

（2）應力監測-靜載

根據工作面的實際情況，采用KJ550沖擊地壓實時監測預警系統對末采期間上、下平巷及下山影響范圍內均進行應力監測。上、下平巷應力監測間隔25 m布置1個測站，每個測站布置2個測點，鉆孔應力計安裝深度分別為13 m和8 m，間隔2 m；下山煤巷應力監測間隔50 m布置一個測點，每個測站布置1個孔深13 m的測點。8301工作面應力監測示意圖如圖5。

圖5 8301工作面應力監測示意圖

3.3 工程應用

根據沖擊的危險區域劃分，工作面實施了頂板爆破、煤層大直徑鉆孔卸壓以及底板爆破防沖措施，同時采用“微震+應力”對工作面回采期間的動靜載進行實時在線監測，并對預警區域及時采用大直徑鉆孔進行卸壓解危，實現了工作面末采期間的沖擊地壓災害防治，保證了工作面的安全回采。

4 結論

（1）提出了“理論-技術”相結合的沖擊危險性評價方法，劃分了工作面末采期間兩巷及下山的沖擊危險區域。

（2）根據“分區治理、分源防治”的防沖理念，在沖擊危險性評價的基礎上對危險區域采用頂板爆破、煤層卸壓及底板爆破卸壓措施，并采用CT探測對卸壓后的防沖效果進行了檢驗。

（3）采用“區域+局部、微震+應力”的監測預警技術，對工作面開采過程中的沖擊危險性進行了監測預警，并采用大直徑鉆孔卸壓對其進行及時解危，保證了工作面的安全回采。