工作面回采期間沖擊危害防范措施的研究

張傳寧 劉泉伸 楊 永

（山東能源集團鮑店煤礦，山東 鄒城 273513）

1 工作面概況

1.1 地質概況

鮑店煤礦5312 工作面位于3#煤層，煤層平均厚度8.65 m，煤層平均傾角9°。煤層直接頂巖性為粉砂巖，厚度3.56 m，節理較發育，易破碎；老頂巖性為粉細砂巖，厚度8.47 m，堅硬致密，以細砂巖為主；直接底不發育；老底巖性為粉細砂巖，厚度18.43 m，巖石呈中厚層狀。鮑店煤礦已鑒定煤層具有沖擊傾向性。

1.2 采礦方法

煤層平均厚度8.65 m，煤層賦存條件穩定、結構簡單，瓦斯鑒定為低瓦斯礦井。根據礦井五采區勘探及3 煤揭露情況，該區域3 煤無堅硬頂板、堅硬頂煤不易冒落的情況，頂煤冒放性好，設計采用綜采放頂煤一次采全高工藝開采。設計割煤高度為3.2 m，當工作面煤壁片幫嚴重，局部頂煤破碎時可適當降低采高，控制在2.9～3 m，以加強對頂板及煤壁的控制。設計截深0.75 m，采放比1:1.7（割煤高度3.2 m，放煤高度5.45 m），采取兩刀一放的推進模式，放煤步距1.5 m。

2 回采期間沖擊危害防范措施

2.1 回采期間沖擊危險監測[1-4]

（1）微震法

鮑店煤礦在5312 工作面裝備了微震監測系統，利用該系統與工作面動壓顯現及鉆屑法測試結果，綜合分析礦震能量、震源位置與工作面動壓顯現的關系，預測工作面沖擊危險性。

監測分析范圍：采煤工作面沿開采方向和采空區方向300 m，左右兩側200 m。

監測分析內容：微震監測系統基于區域內發生的礦震活動情況，以每日震動活動為基本單元，對比分析3～7 d 內震動發生的頻次、能量及分布特征。微震法預測沖擊地壓危險的一般規律有：① 礦震活動不明顯且震動能量水平較低，預示圍巖處于能量穩定釋放階段，可正常生產；② 礦震活動出現頻次較高，能量顯著增加，能量緩慢增加時間持續3 d以上，或者震動活躍期后出現驟降，則判定沖擊地壓危險；③ 震動能量與沖擊地壓危害呈正相關的關系，當震動能量＜1×105J 時，沖擊的危險性相對較弱；當震動能量≥1×106J，說明礦區有劇烈的巖層活動，發生較大的應力轉移，應當及時采取防沖措施。

（2）鉆屑法

采取鉆屑量指數衡量工作面的沖擊危險程度，通過對工作面的鉆屑量數據進行統計分析，獲得符合該礦實際生產條件的鉆屑量指數閾值，進而有效指導沖擊地壓預測。其中鉆屑量指數=鉆出煤粉量/正常排粉量，一般將1.5 倍正常排粉量定為該點是否具有沖擊危險的閾值。

監測分析范圍：鉆屑法重點檢測工作面60 m范圍以內，鉆孔布置在工作面里幫，鉆孔須沿著煤層方向布置在煤層中部，切不可施工至煤層的頂底板位置。鉆孔自煤壁前15～20 m 布置，每孔間距約20 m，孔徑42～45 mm，孔深10 m，如圖1。

圖1 鉆孔布置示意圖（m）

監測分析內容：主要監測每米鉆孔的鉆屑量。若出現鉆屑量指數超閾值，鉆孔出現非正常的卡鉆、吸鉆、異響，則應采取相應的解危措施。為保證鉆屑法監測的準確性和精度，當探眼煤粉量＞臨界值時，立即在附近地點1 m 施工對比孔，以確定探測的準確性；同時在對幫也要施工煤粉檢驗孔，以確定對幫煤粉是否超標。

（3）應力在線監測

應力在線監測采用在線監測預警系統對工作面的地壓狀態進行實時監測。在線監測預警系統能夠及時準確地監測采動應力場的變化規律并自動生成應力曲線，精確反映煤體地壓應力。

監測分析范圍：應力在線監測的壓力傳感器通常布置在工作面200 m 范圍內，自距離工作面30 m開始布置，每間隔30 m 在回采實體煤側布置一組測點；距離工作面停采線150 m 開始，開始對上山集中巷區域進行應力在線監測，每組間距50 m。每組測點安設兩個壓力傳感器，兩個傳感器的埋設深度分別為8 m、14 m，間距1.5～2 m。

監測分析內容：應力在線監測的預警值設定見表1，根據不同的檢測值顯示不同顏色的檢測曲線。應力增幅預警按照如下標準設定預警值，24 h 內應力增幅預警設定，增幅≥2 MPa，顯示黃色；增幅≥4 MPa，顯示紅色。不發生沖擊地壓判斷準則：① 全綠色；② 一組黃色預警+3 d 內無明顯增壓；③ 一組紅色預警+1 d 內無明顯增壓。發生沖擊地壓準則：① 兩組及以上紅色預警；② 兩組及以上黃色預警；③ 一組紅色預警+1 d 內明顯增壓。

表1 預警值設定表

2.2 回采期間沖擊防治方案[5-10]

工作面回采期間的解危措施主要包括大直徑鉆孔和煤體爆破卸壓。檢測到沖擊危險的處理流程如下：（1）首先采用鉆屑法監測，指標不超標的，則無需進行鉆孔卸壓。（2）當微震監測和鉆屑監測異常數據達到預警值，指標超標時，則實施大直徑鉆孔卸壓措施之后再通過鉆屑法進行校驗，如果指標不再超標，即可繼續回采。（3）若出現應力值很高的異常區域或者大直徑鉆孔卸壓效果不佳，則需采取爆破卸壓措施，直至指標不超標方可以恢復采礦。

2.2.1 大直徑鉆孔卸壓

大直徑鉆孔卸壓措施需滿足：鉆孔間距為2 m，鉆孔深度≥20 m，鉆孔直徑≥110 mm，鉆孔高度為0.8～1.5 m，布置形式如圖2。施工參數需根據實際施工條件調整。采用大直徑鉆孔卸壓解危措施后，采取鉆屑法進行效果校驗，如果監測區域指標值仍有異常，應采取加密鉆孔進一步實施解危措施。

圖2 大直徑卸壓鉆孔傾向剖面示意圖

2.2.2 煤體卸壓爆破

若出現應力值很高的異常區域或者大直徑鉆孔卸壓效果不佳，則需采取爆破卸壓措施。爆破卸壓措施是在兩大直徑鉆孔中間施工爆破鉆孔實施爆破卸壓。爆破鉆孔參數如下：孔深15 m，孔徑42 mm，炮眼間距5 m，單孔裝藥量4.0 kg，炮孔堵塞長度8 m。炮孔施工須沿著煤層方向且垂直于煤幫，與底板間距為1.2 m，爆破順序采取逐孔起爆方式。爆破后采取鉆屑法、微震監測法進行效果校驗，直至徹底解除沖擊地壓危險為止。爆破鉆孔布置如圖3。

圖3 爆破鉆孔布置示意圖（m）

2.3 特厚煤層沖擊地壓防治措施

鑒于5312 工作面“刀把型”布置且煤層厚度較厚，工作面在回采時應控制回采速度不超過8 m/d，要盡量控制好推進度和放煤量，確保工作面能夠達到勻速推進、均勻放煤，工作面對接前后根據來壓情況調整開采速度。在工作正常生產期間，根據沖擊地壓監測數據，判斷工作面周期來壓步距，加強沖擊地壓監測，采取相應的防沖擊措施。

（1）初次來壓

初次來壓期間巖層活動劇烈，影響工作面前方0～60 m 范圍。初采初放及頂板初次來壓期間應嚴格按照區域沖擊危險等級設計參數進行防治，工作面監測數據出現異常趨勢時，應提高一個危險性等級進行防治。當監測數據出現異常時，必須按照沖擊地壓預警管理辦法要求采取相應措施，確保指標在臨界值以下方可生產。

（2）周期來壓及采空區見方

根據覆巖運動規律，工作面推進至周期來壓步距或工作面見方時，由于采場上方覆巖空間結構的連通，覆巖活動劇烈，煤體和圍巖積聚彈性能釋放，需加強監測及防治力度。周期來壓期間巖層活動劇烈，影響工作面前方0～100 m 范圍。初次見方影響范圍為見方點前后50 m 范圍，采空區周期性“見方”為見方點前后20 m 范圍。工作面監測數據出現異常時，必須采取相應措施，并檢驗指標小于臨界值后方可生產。

3 防沖措施的實際應用效果

為保證5312 工作面的安全開采，鮑店煤礦對評估的沖擊地壓危險區域采取超前預卸壓措施。鉆孔孔徑150 mm，孔距2 m，深度25 m，工作面回采沖擊危險區共計施工卸壓鉆孔630 個。工作面沖擊危險性采用應力實時在線監測、微震監測、鉆屑法監測等方法。

3.1 應力實時在線監測結果

采用應力實時在線監測系統對采煤工作面兩順槽沖擊危險區域進行監測，應力傳感器不大于30 m布置一組，每組包含2 個應力計（間距0.5～2m），根據回采情況及時挪移，保持工作面前方300 m 的超前支承壓力影響區處于監測范圍內。監測結果表明，工作面生產期間應力監測無異常，無明顯的應力增高趨勢，無預警。

3.2 微震監測

5312 工作面采用5 個微震拾震器對工作面震動信號進行采集，通過SOS 微震監測系統對沖擊危險性進行分析。工作面開采以來共監測到震動事件2920 次，平均日震動18.6 次，累計震動總能量5.72×106J，最大震動事件能量為4.56×104J，103J 以下事件2824次，104J以上事件96次。監測結果表明：（1）工作面震動事件為103J 以下的小震動事件；（2）104J 以上事件主要是受到鋪子斷層的影響，造成鋪子斷層的局部應力集中，對工作面回采影響較小；（3）總體評價為微震事件相對較多但能量較小，工作面回采期間無異常壓力顯現。

3.3 鉆屑法監測

工作面弱沖擊危險區域每3 d 監測一次，無沖擊危險區域每5 d 監測一次，監測范圍100 m。鉆屑法監測結果表明，煤粉鉆孔施工過程中無卡鉆、吸鉆等動力現象，煤粉無超標現象，最大煤粉量3.38 kg/m。

4 結論

監測效果表明，鮑店煤礦5312 工作面在實施沖擊地壓治理措施之后能夠有效控制工作面沖擊地壓問題。但是實際生產過程中仍需注意以下幾點：（1）工作面膠運順槽臨近5311 采空區，煤柱承載力降低，應加強沿空巷道的礦壓監測。（2）工作面輔運順槽臨近鋪子斷層，建議根據揭露巖石情況，及時修正鋪子斷層的結構參數，必要時重新評估斷層影響。（3）由于沖擊地壓受到多個方面的影響，在實際開采過程中要根據現場具體情況動態調整沖擊危險監測指標和防沖技術參數，做好順槽超前支護、人員及設備安全防護和限員管理措施。