王莊煤礦14317工作面沖擊危險性預(yù)測及其防治技術(shù)

劉 亮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037000）

0 引言

沖擊地壓主要受地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性質(zhì)、開采深度和開采條件等多種因素影響[1-4]，煤礦開采過程中，為防止在地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性質(zhì)、開采深度等不可抗拒因素下產(chǎn)生沖擊地壓現(xiàn)象，回采工作面一般布置為按序開采，避免形成應(yīng)力集中的孤島工作面[5-6]，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，部分礦井因地質(zhì)條件、采掘布局限制等條件下，部分工作面不可避免的產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。在應(yīng)力集中情況下，可能發(fā)生沖擊地壓事故，杜則銘[1]提出采用鉆屑法對工作面采掘期間的沖擊危險區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，通過分析鉆屑法的監(jiān)測原理及判斷準(zhǔn)則進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測；李玉生提出沖擊地壓可用強(qiáng)度準(zhǔn)則、能量準(zhǔn)則及沖擊傾向準(zhǔn)則加以概括，3個準(zhǔn)則同時滿足才是沖擊地壓的必要和充分條件；章夢濤根據(jù)煤（巖）變形破壞的機(jī)理，提出來沖擊地壓的失穩(wěn)理論。以上理論和監(jiān)測方法雖然對沖擊地壓的理論分析和監(jiān)測具有重要指導(dǎo)意義，但在沖擊地壓的強(qiáng)度監(jiān)測、影響范圍計算等方面不夠全面，具體防沖措施也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況制定針對性措施。王莊煤礦14317工作面因采掘布局限制，工作面回風(fēng)順槽及切眼均為沿采空區(qū)布置，受2個方向采空區(qū)影響，該工作面回風(fēng)順槽側(cè)成為應(yīng)力集中區(qū)，回采期間存在沖擊地壓風(fēng)險，為防止沖擊地壓現(xiàn)象發(fā)生，需提前采取針對性防沖措施，保障工作面安全回采。

1 工作面概況

王莊煤礦14317綜采工作面位于礦井西北部的14采區(qū)西部，西鄰礦井邊界，東鄰14318工作面采空區(qū)，南鄰14316采空區(qū)。工作面回風(fēng)順槽沿14318采空區(qū)布置，留設(shè)煤柱寬度5 m，巷道長度1 083 m。工作面切眼沿14316采空區(qū)布置，留設(shè)煤柱寬度5 m，切眼長度185 m。運(yùn)輸順槽與回風(fēng)順槽平行，為實(shí)煤體掘進(jìn)，巷道長度1 058 m。工作面埋深643～715 m，平均埋深681 m。工作面平面布置圖如圖1所示。

圖1 14317工作面平面布置示意圖

14317工作面主采3號煤層，煤層厚度9.18～9.82 m，平均煤厚9.5 m，煤層賦存穩(wěn)定，以半暗型煤為主，局部有裂隙發(fā)育，裂隙發(fā)育區(qū)含1～2層夾矸，煤層硬度系數(shù)為0.3。煤層直接頂為泥巖，平均厚度3.5 m，基本頂為中粒砂巖，平均厚度18.3 m，直接底為粉砂巖，平均厚度3.3 m，基本底為細(xì)粒砂巖，平均厚度17.5 m。煤層頂、底板柱狀見表1。

表1 煤層頂?shù)装逯鶢畋?/p>

2 工作面沖擊危險性評價

根據(jù)14317工作面實(shí)際情況，采用沖擊地壓綜合指數(shù)法對沖擊地壓危險性進(jìn)行評價，結(jié)果為：工作面回風(fēng)順槽因受兩側(cè)采空區(qū)影響，自切眼向外527 m范圍內(nèi)沖擊危險綜合指數(shù)為0.68，具有中等沖擊地壓危險，按照沖擊地壓防止對策要求，需制定監(jiān)測和治理方案，明確采煤工作面超前支護(hù)距離及支護(hù)方式，配備區(qū)域與局部檢測檢驗(yàn)設(shè)備和治理裝備，對應(yīng)力集中區(qū)采取預(yù)卸壓措施和效果檢驗(yàn)。工作面沖擊地壓危險區(qū)如圖2所示。

圖2 14317工作面沖擊地壓危險區(qū)示意圖

3 工作面應(yīng)力集中情況數(shù)值模擬與分析

3.1 三維數(shù)值計算模型建立

為全面分析回采期間14317工作面受采動影響及兩側(cè)采空區(qū)影響產(chǎn)生的應(yīng)力集中情況，對具有沖擊地壓危險區(qū)域建立FLAC3D三維模型進(jìn)行數(shù)值計算，模型走向、傾向長度均為400 m，高度150 m。平面模型如圖3所示，巖性剖面模型如圖4所示。

圖3 14317工作面平面模型圖

圖4 14317工作面巖性剖面模型圖

3.2 應(yīng)力集中情況數(shù)值模擬分析

數(shù)值模擬主要針對14317工作面切眼及回風(fēng)順槽在兩側(cè)采空區(qū)的共同影響下，工作面回采前煤體承受應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。圖5為工作面回采前煤體承受應(yīng)力分布圖。

圖5 工作面回采前煤體承受應(yīng)力分布圖

從圖5中可以看出，因受14316及14318采空區(qū)影響，在14317工作面切眼至回風(fēng)順槽轉(zhuǎn)角處形成應(yīng)力疊加，最大應(yīng)力接近60 MPa，并向兩側(cè)延伸長度約50 m，形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3.6，具有沖擊地壓危險，回采前及回采期間需在該區(qū)域采取防止沖擊地壓措施。

4 工作面沖擊地壓防治措施

4.1 兩巷超前加固

回采期間，為保證受采動影響及采空區(qū)影響的工作面兩巷支護(hù)強(qiáng)度，需對兩巷采取超前加固措施。根據(jù)圖5應(yīng)力分布分析結(jié)果，對回風(fēng)順槽及運(yùn)輸順槽采取針對性加固方案。對回風(fēng)順槽采用Z QL2×4000/15/35型巷道支架超前工作面加固50 m（應(yīng)力集中范圍），50 m后采用單體液壓支柱配合π型鋼打雙抬棚加固70 m，累計超前加固長度120 m。運(yùn)輸順槽采用Z QL2×4000/15/35型巷道支架超前工作面加固30 m，30 m后采用單體液壓支柱配合π型鋼打雙抬棚加固30 m，累計超前加固長度60 m。

4.2 大直徑鉆孔預(yù)卸壓

1）鉆孔預(yù)卸壓原理。大直徑鉆孔能破壞開采巷道圍巖結(jié)構(gòu)，形成弱化帶，使高應(yīng)力向巷道深處轉(zhuǎn)移，降低巷道周邊的圍巖應(yīng)力。在沖擊地壓發(fā)生時，沖出的煤粉能被鉆孔空間充分吸收，防止煤體大量涌出；同時，泄壓區(qū)會形成楔形阻力帶，能有效防止煤體的大量沖出。利用鉆孔泄壓技術(shù)對煤層擾動小，不會引發(fā)沖擊地壓，是有效的技術(shù)手段[13-16]。

2）大直徑鉆孔預(yù)卸壓方案。工作面回采前，在14317回風(fēng)順槽、運(yùn)輸順槽自切眼向外施工大直徑預(yù)卸壓鉆孔，鉆孔直徑155 mm，鉆孔深度25 m，鉆孔間距3 m，鉆孔方位為垂直頂板向上。

4.3 沖擊地壓監(jiān)測

1）鉆屑法監(jiān)測。回采期間，每天對工作面前方60 m范圍內(nèi)沖擊地壓危險區(qū)域進(jìn)行一次鉆屑監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測指標(biāo)超限時，在原大直徑卸壓鉆孔間補(bǔ)打卸壓鉆孔加強(qiáng)卸壓。

2）微震法監(jiān)測。利用微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測沖擊地壓危險區(qū)域內(nèi)發(fā)生的頂板震動情況，微震監(jiān)測測站布置在回風(fēng)順槽內(nèi)，距離回采工作面不大于60m，為減少監(jiān)測誤差，共布置4組微震監(jiān)測站，測站間距為10m，隨回采循環(huán)外移。

5 防沖措施的效果檢驗(yàn)

通過觀測圍巖變形情況，并對沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)收集整理，以檢驗(yàn)兩巷超前加固、大直徑鉆孔預(yù)卸壓防沖措施的效果。

5.1 圍巖變形情況觀測

分別在回風(fēng)順槽、運(yùn)輸順槽自切眼向外20、40、60 m處各設(shè)置1組圍巖變形觀測點(diǎn)，主要觀測回采期間頂板及兩幫圍巖變形情況及變形速率，觀測時間為工作面開始回采至采至觀測點(diǎn)處結(jié)束，觀測頻次為每天觀測。通過觀測，圍巖變形情況見表2。

表2 圍巖變形情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

如表2所示，回風(fēng)順槽因靠近采空區(qū)，受兩側(cè)采空區(qū)影響，頂板及幫部圍巖變形量均明顯大于運(yùn)輸順槽，幫部最大變形量為112 mm，最大變形速率為15 mm/d，頂板最大下沉量為147 mm，最大變形速率21 mm/d。結(jié)果表明，在超前加固、大直徑鉆孔預(yù)卸壓防沖措施下，圍巖變形情況滿足安全生產(chǎn)要求。

5.2 沖擊地壓監(jiān)測情況

1）鉆屑法監(jiān)測情況。回采期間，通過每天對工作面前方60 m范圍內(nèi)沖擊地壓危險區(qū)域進(jìn)行一次鉆屑監(jiān)測，監(jiān)測期間未發(fā)現(xiàn)指標(biāo)超限。

2）微震法監(jiān)測情況。自14317工作面開始回采以來，在近4個月時間內(nèi)，通過4組微震監(jiān)測站對頂板震動情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，共監(jiān)測到頂板有效震動168次，所監(jiān)測到的震動能量均低于1×104 J。圖6為14317工作面微震監(jiān)測情況統(tǒng)計圖。

圖6 14317工作面微震監(jiān)測情況統(tǒng)計圖

6 結(jié)論

通過對具有沖擊地壓危險的14317工作面采取兩巷超前加固、大直徑鉆孔預(yù)卸壓防沖措施，同時采取了鉆屑法、微震法監(jiān)測沖擊地壓情況，并經(jīng)過防沖措施效果檢驗(yàn)，結(jié)果證明：在防沖措施下圍巖最大變形量符合安全生產(chǎn)要求，通過鉆屑法監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)指標(biāo)超限，通過微震法監(jiān)測震動能量在安全范圍，防沖措施有效，保障了工作面安全生產(chǎn)。