下溝煤礦ZF303 孤島工作面沖擊地壓防治技術(shù)研究

史 銳

（陜西華彬煤業(yè)股份有限公司, 陜西 咸陽 713500）

0 引 言

近年來，隨著礦井開采深度不斷延伸，沖擊地壓危險不斷顯現(xiàn)[1~2]。事故多發(fā)于工作面回采過程中，且綜合機械化放頂煤開采方式更容易出現(xiàn)沖擊地壓事故[3~5]。下溝煤礦ZF303 工作面埋深較大，回采工作面采用綜合機械化放頂煤開采，為防治回采過程出現(xiàn)沖擊地壓事故，本文通過對該礦目前地壓情況進行了綜合分析，總結(jié)了出現(xiàn)沖擊地壓事故的危險源，通過微振技術(shù)對現(xiàn)場工作面地壓情況進行了動態(tài)考察，制定了相應(yīng)的防治措施，并進行了后期效果考察。研究結(jié)果對該煤礦以及相同情況其他礦井沖擊地壓防治工作具有一定的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實意義。

1 ZF303 工作面概況

下溝煤礦主采4 號煤層，煤層平均厚度11.5 m，夾矸3 層，煤巖情況見表1。

表1 4 號煤層頂?shù)装迩闆r表

經(jīng)鑒定，4 號煤層及頂?shù)装鍥_擊傾向性屬于Ⅱ類，即弱沖擊地壓，鑒定參數(shù)見表2；其中絕對瓦斯涌出量為41.8 m3/min，相對瓦斯涌出量7.65 m3/t，為高瓦斯礦井；屬Ⅱ類自燃煤層，煤塵具有爆炸性。

表2 4 號煤層沖擊傾向性測定結(jié)果

工作面走向長度2 877 m，傾斜長度168 m，工作面整體埋深350 m，埋深較深。工作面采用綜合機械化放頂煤采煤法開采，頂板采用全垮落方法管理

2 沖擊地壓現(xiàn)狀分析

2.1 地質(zhì)影響

ZF303 工作面平均埋深350 m，上部20 m 范圍內(nèi)存在厚度大于10 m 的砂巖，由于砂巖本身硬度較大，而且比較脆，具有一定的吸能左右，當(dāng)距離頂板較近距離范圍內(nèi)存在砂巖會導(dǎo)致頂板放頂較難，而一旦回采步長達到砂巖承接應(yīng)力臨界點，就會導(dǎo)致工作面整體垮塌，形成較大沖擊地壓事故。根據(jù)大量案例分析，埋深小于350 m 時，沖擊地壓現(xiàn)象一般不會發(fā)生；埋深介于350～500 m 之間，沖擊地壓危險性呈線型增長趨勢；埋深介于500～800 m 之間，沖擊地壓危險性的發(fā)生會加劇；當(dāng)埋深超過800 m 時，地應(yīng)力一般超過煤層抗壓強度，礦壓管理不善，極容易發(fā)生沖擊地壓導(dǎo)致的煤巖爆裂傷人事故。

2.2 開采情況

ZF303 工作面為孤島工作面，兩邊的ZF304 工作面和ZF302 工作面都已經(jīng)回采完畢，預(yù)留30～80 m 的煤柱。開采情況如圖1 所示；兩邊工作面均回采完畢后會導(dǎo)致斷面應(yīng)力分布產(chǎn)生孤島現(xiàn)象，影響ZF303 工作面回采過程中的地壓分布情況。

圖1 開采情況圖

2.3 回采過程

回采期間，工作面采用綜合機械化放頂煤開采，放頂過程中，上覆巖整體垮落，因此頂板管理不當(dāng)必然產(chǎn)生沖擊地壓危險。

3 巖層應(yīng)力模擬考察

為研究回采過程中ZF303 工作面圍巖應(yīng)力分布情況，現(xiàn)對推進至距1 號斷面10、30、60 m 情況下斷面圍巖應(yīng)變情況進行數(shù)值模擬。斷面布置見圖2。

圖2 模擬斷面位置圖

煤巖是多孔介質(zhì)，因此采用流-固耦合模型，頂板為細粒砂巖，底板為鋁土質(zhì)泥巖，不同巖石力學(xué)參數(shù)見表3；通過數(shù)值模擬得到應(yīng)力分布云圖3。

圖3 應(yīng)力分布圖

表3 巖層基本參數(shù)表

由圖3 可知，隨著工作面不斷推進，煤巖應(yīng)力不斷增大，回采面距離1 號斷面60 m 時，斷面切片應(yīng)力不會出現(xiàn)集中現(xiàn)象，基本處于均衡狀態(tài)；回采面距離1 號斷面30 m 情況下，斷面切片顯示應(yīng)力開始顯現(xiàn)，斷面最大應(yīng)力為3×1 010 Pa；當(dāng)回采面距離斷面10 m 時，斷面最大應(yīng)力為3×1 010 Pa，煤巖及頂板巖層基本達到應(yīng)力極限，出現(xiàn)斷裂破碎等現(xiàn)象。

4 沖擊地壓防治技術(shù)

為有效解決ZF303 工作面沖擊地壓問題，現(xiàn)進行工作面回采期間卸壓。主要方法為施工卸壓孔和深孔預(yù)裂爆破的方法，對于弱沖擊地壓區(qū)域以施工卸壓孔為主，當(dāng)遇到煤體堅硬或卸壓孔無法達到卸壓要求時使用預(yù)裂爆破的方法進行卸壓[6~8]。

4.1 大直徑鉆孔卸壓

設(shè)計鉆孔孔徑133 mm，對評估具有弱沖擊地壓的區(qū)域施工鉆孔孔間距3 m，中等沖擊地壓危險性區(qū)域施工鉆孔孔間距2 m，運輸巷向工作面方向施工鉆孔孔深25 m，向煤柱方向施工鉆孔孔深15 m；回風(fēng)巷卸壓鉆孔施工和運輸巷卸壓鉆孔施工基本一致；由于ZF303 工作面底煤厚度為1.5～2 m，因此有施工底板卸壓孔的必要。各鉆孔參數(shù)見表4；鉆孔設(shè)計如圖4 所示。

圖4 卸壓孔設(shè)計圖

表4 卸壓孔參數(shù)表

4.2 預(yù)裂爆破卸壓

預(yù)裂爆破鉆孔孔徑φ42 mm，爆破孔施工位置為沖擊地壓危險區(qū)域和區(qū)域前后5 m 范圍內(nèi)，炮眼深度10 m，爆破孔間距5 m，鉆孔設(shè)計如圖5 所示。鉆孔均垂直于巷道，平行于煤層施工。

圖5 爆破孔鉆孔設(shè)計示意圖

5 效果考察

為考察以上措施的可靠性，現(xiàn)運用微振技術(shù)對工作面圍巖能量、頻次進行監(jiān)測監(jiān)控，監(jiān)測點布置見圖6，監(jiān)測結(jié)果見圖7。各個測點基本監(jiān)測結(jié)果基本一致，以1 號測點監(jiān)測解果為例，能夠接收到的測點基本位于工作面頂板位置，圖中綠色標(biāo)識測點震級，根據(jù)統(tǒng)計最大震級為1.38，屬于弱沖擊震動狀態(tài)。因此可知，ZF303 工作面沖擊地壓危險得到有效控制。

圖6 測點布置圖

圖7 1 號測點監(jiān)測解果圖

6 總 結(jié)

1）ZF303 工作面會產(chǎn)生沖擊地壓圍巖的原因主要為頂板砂巖、綜合機械化放頂煤開采和成為孤島工作面。

2）ZF303 工作面前方距離采面30 m 范圍開始斷面出現(xiàn)應(yīng)力集中，到10 m 時應(yīng)力已經(jīng)出現(xiàn)大面積擴散現(xiàn)象，即頂板巖層開始產(chǎn)生大量裂隙。

3）ZF303 工作面沖擊地壓防治措施主要為加施工卸壓孔，當(dāng)卸壓孔無法消除沖擊地壓危險性時采用預(yù)裂爆破的方法。

4）微振考察結(jié)果顯示通過預(yù)防措施的實施，回采過程中ZF303 工作面頂板會出現(xiàn)震動，最大震級為1.38，屬于弱沖擊震動狀態(tài)。

5）綜上所述，通過一系列研究可知，措施的實施可以有效控制回采過程中沖擊地壓的發(fā)生。