厚煤層堅硬頂板工作面沖擊地壓防治技術

楊佳旻

（中天合創能源有限責任公司煤炭分公司門克慶煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

隨著煤礦開采深度的增加，動力災害越發嚴重。對于煤層上覆存在厚巖層和堅硬巖層的礦井，極易發生沖擊地壓危險，必須采取技術措施進行治理[1-2]。

1 工程概況

1.1 工作面地質情況

門克慶煤礦11-3105綜采工作面位于3-1煤11采區，工作面長度300 m，推進長度3870 m。東側為平行布設的11-3103工作面，南側為11-3105進風措施巷，西側為礦區邊界，北側為門克慶煤礦未規劃區域。11-3105工作面采用綜合機械化一次采全高開采工藝，開采3-1煤，煤厚4.88 m，煤層傾角1°～6°，埋深在677～703 m。3-1號煤層頂板以灰綠色、淺灰色的粉砂巖、中細砂巖為主，粉砂巖厚度平均5.65 m，細砂巖均厚17.18 m；直接底以淺灰綠色砂質泥巖為主，砂質泥巖平均厚度1.83 m；老底以淺灰綠色砂質泥巖為主，砂質泥巖平均厚度9.75 m。礦井絕對瓦斯涌出量為3.83 m3/min，礦井相對瓦斯涌出量為0.26 m3/t，屬于低瓦斯礦井。

1.2 工作面沖擊危險區域劃分

基于回采工作面的分級劃分結果，將11-3105工作面劃分為強沖擊危險區域2處，中等沖擊危險區域5處，其余為弱沖擊危險區域。沖擊危險區位置參數見表1。

表1 沖擊地壓危險區具體位置參數表

2 工作面沖擊地壓危險性監測

2.1 區域監測

采用微震臺網進行工作面沖擊地壓危險性區域監測[3]。在11-3105工作面回采期間，兩側順槽各布置2個微震探頭和1個微震拾震器，交錯布置。其中在工作面兩順槽200 m范圍內各布置1個微震探頭，在工作面兩順槽600～800 m范圍各布置1臺微震拾震器。微震探頭和微震拾震器應能隨工作面回采不斷移動。微震測點布置如圖1。

圖1 微震測點布置

根據微震能量監測指標，當單班達到中等沖擊危險時，工作面限產；當連續兩個以上單班達到中等沖擊危險或單班達到強沖擊危險時，工作面及時停產，應力穩定后恢復生產。

2.2 局部監測

（1）應力監測

在工作面回風巷及運輸巷超前300 m范圍內巷道回采幫安裝煤體應力計在線監測系統，安裝工程始終保持超前工作面300 m以外；兩巷道走向方向應力計組間距根據沖擊危險區域劃分結果，在實體煤巷道正幫方向布置（強沖擊危險區域內兩幫布置），每組布置兩個測點，組間距沿巷道走向間距30 m，其中強沖擊危險區監測間距20 m。每組按深淺孔布置，深孔安裝深度為15 m，淺孔安裝深度為9 m，安裝孔孔徑42 mm。應力計安裝方案布置如圖2，應力預警指標見表2。

圖2 工作面回風巷/運輸巷應力計布置圖（m）

表2 應力在線監測預警標準

工作面應力監測系統達到預警后，應采取以下措施進行處理：① 出現單點黃色預警時，在預警區域進行鉆屑法監測，確認沖擊危險后工作面立即停產，開展解危卸壓工作；② 雙點黃色、單點紅色預警時，工作面立即停產并開展解危卸壓作業；③ 雙點紅色報警時，工作面立即停止生產，對預警區域開展高強度卸壓；④ 解危處理結束后，采取鉆屑法和應力在線監測進行效果檢驗，檢驗值低于預警值時，方可進行采掘作業。

（2）鉆屑法監測

在微震、應力在線等監測系統確定的工作面沖擊地壓預警區域，以及出現明顯變形或動力顯現等異常情況區域，采取鉆屑法鑒別工作面沖擊地壓危險性[4-5]。在預警點兩側1～2 m范圍內各施工1個檢驗鉆孔，孔徑42 mm，孔深12 m，每次檢測3個鉆孔，鉆孔距底板1.2 m。鉆孔方向與巷幫垂直，平行于煤層，用膠結袋收集鉆出的煤粉，用測力計稱量煤粉的重量，每鉆進1 m測量1次鉆屑量。

根據工作面兩巷高度為3.7 m，在第2～6 m范圍內取標準煤粉的1.5倍、6～12 m范圍內取標準煤粉的2倍（偏安全）作為臨界值，即預警指標為4.1 kg/m和6.2 kg/m。

3 沖擊地壓防治方法

3.1 預卸壓措施

（1）頂板預裂爆破

在工作面運輸巷頂板煤柱幫側布置一排頂板預裂鉆孔，開孔位置距煤柱幫0.8 m，鉆孔與煤層夾角為60°，鉆孔方位與巷道夾角為0°，鉆孔深度為41 m，鉆孔孔徑89 mm，間距10 m，鉆孔爆破封孔長度14 m，單孔裝藥量為94.5 kg。鉆孔布置如圖3。

圖3 運輸巷頂板預裂爆破鉆孔布置示意圖（m）

在工作面“初次見方、二次見方”影響區域，在運輸巷和回風巷頂板生產幫側布置扇形頂板預裂鉆孔。鉆孔開孔位置距生產幫1～2 m，鉆孔與煤層夾角為45°～60°，鉆孔方位為270°，鉆孔深度為40～50 m，鉆孔孔徑89 mm，組間距20 m，鉆孔爆破封孔長度14 m。鉆孔布置如圖4。

圖4 工作面扇形爆破鉆孔布置示意圖（m）

（2）煤體大直徑鉆孔卸壓

工作面回采期間主要用煤體大直徑卸壓鉆孔對煤體進行卸壓。工作面超前卸壓范圍控制在兩順槽超前工作面200 m以外，臨時水倉、斷層附近應提前卸壓。弱沖擊危險區：加強監測、及時預警，現場礦壓顯現、監測異常時，采用鉆屑、煤體應力等進行危險程度檢驗，確認危險后按中等或強沖擊危險區參數卸壓；中等沖擊危險區：孔深20 m，鉆孔直徑150 mm，孔間距2 m；強沖擊危險區：孔深20 m，鉆孔直徑150 mm，孔間距1 m。聯絡巷交叉口、水倉等兩巷道交叉口處，為防止破壞巷道，可根據現場實際情況布置卸壓鉆孔，但必須保證交叉口處前后30 m處于有效卸壓范圍。

（3）底板大直徑鉆孔卸壓

針對底煤厚度超過1 m的區域，實施底板大直徑鉆孔預卸壓，以降低煤層中的應力積聚，減少巷道底板沖擊及底鼓現象發生，保護巷道完全。鉆孔直徑大于150 mm，在巷道每個斷面布置2個鉆孔，鉆孔俯角45°，鉆孔間距1 m，鉆孔深度達到底板巖石即可。初步卸壓參數如圖5。

圖5 留底煤區域大孔徑鉆孔卸壓布置示意圖

3.2 解危措施

（1）幫部大直徑鉆孔卸壓

工作面回采期間，現場動壓顯現或系統監測預警時，采取加密大直徑鉆孔卸壓解危。

（2）煤體爆破卸壓

若監測孔煤粉超標或有動力現象，則在此孔兩側間距3 m進行煤體爆破卸壓，如圖6。爆破參數：單孔裝藥量5 kg，封孔長度不少于孔深1/3，最小不低于3 m。制作成爆破筒，爆破筒長度根據調整的裝藥量確定；正向裝藥，每孔2支雷管，利用水泥藥卷封孔，一次最多允許同時起爆6個孔。爆破孔參數見表3。施工完成后在距離卸壓孔間隔5 m再施工檢測孔，如果指標正常則工作面正常回采，否則繼續在新檢測孔周邊間距2 m進行卸壓工作，然后距離卸壓孔間隔5 m位置施工檢測孔，直到指標正常。

圖6 檢測孔異常圖

表3 煤體深孔爆破卸壓參數

4 防治效果分析

在11-3105工作面回采過程中，對微震能量和超前應力進行持續監測。通過監測數據分析，超前應力最大7.9 MPa，最小3.6 MPa，平均6.2 MPa，超前應力普遍較小，遠未達到黃色預警值；微震能量監測系統在整個工作面回采過程中未拾取到能量釋放事件。通過頂板預裂爆破、煤體大直徑鉆孔卸壓、底板大直徑鉆孔卸壓等技術措施，可以有效釋放頂板內積聚能量，達到防治沖擊地壓的目的。

5 結語

根據門克慶煤礦11-3105工作面沖擊危險性劃分，確定了工作面沖擊地壓危險性監測方案，并制定了工作面預裂爆破、煤體大直徑鉆孔卸壓和底板大直徑鉆孔卸壓的預卸壓技術措施，以及幫部加密大直徑鉆孔和煤體爆破卸壓的解危技術措施。11-3105工作面回采過程中，嚴格落實沖擊地壓監測和防治措施，保證了工作面的回采安全，在回采期間未出現明顯能力釋放，工作面來壓平穩，兩側順槽圍巖變形可控。