孤島工作面回采期間沖擊危險(xiǎn)性及防沖要求

李鵬飛,蔡誼軍,馮 鑫

(1.彬縣煤炭有限責(zé)任公司,陜西 咸陽(yáng) 712000;2.陜西華彬煤業(yè)股份有限公司,陜西 咸陽(yáng) 713500)

0 引言

下溝煤礦ZF303工作面回采期間主要受動(dòng)、靜載荷影響,其所受的靜載主要來(lái)自于自重及采空區(qū)側(cè)向支承壓力,動(dòng)載主要來(lái)自于采動(dòng)過(guò)程覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力,且巷道留有厚底煤增加了發(fā)生沖擊地壓的可能性。綜上可知,高應(yīng)力、回采期間擾動(dòng)及留底煤等因素是影響ZF303工作面回采期間沖擊地壓災(zāi)害的主要因素。

1 礦井及工作面基本概況

下溝煤礦位于彬長(zhǎng)礦區(qū)東南部,東與火石咀煤礦相鄰,南與水簾洞煤礦相接,西鄰大佛寺煤礦和大佛寺保護(hù)區(qū),北與官牌井田相接,屬正常生產(chǎn)礦井,核定生產(chǎn)能力為270萬(wàn)t/a。礦井為高瓦斯礦井,易自燃煤層,煤塵具有爆炸性,水文地質(zhì)類型為中等,煤層及頂板具有弱沖擊傾向性。

礦井采用分區(qū)式通風(fēng),抽出式通風(fēng)方法,主斜井、副斜井和行人斜井進(jìn)風(fēng),上溝立井、水簾斜井回風(fēng)。礦井裝備1個(gè)綜采工作面(ZF303工作面)和1個(gè)備用工作面(ZF2822工作面)。

ZF303工作面是下溝煤礦403采區(qū)布置的最后一套工作面,其井下具體位置：東為403采區(qū)3條上山巷道,西為下溝礦井田邊界保護(hù)煤柱,南為ZF302工作面采空區(qū),北為ZF304工作面,工作面走向總長(zhǎng)度為2 877 m,傾向長(zhǎng)度為168 m。工作面標(biāo)高在+581～+663 m之間,地面標(biāo)高在+908～+1 025 m之間,工作面平均埋深約350 m,其上部地表為溝谷切割的塬梁地貌,工作面的回采對(duì)地面設(shè)施無(wú)明顯影響。ZF303工作面巷道布置為“一進(jìn)一回”U型布置,ZF303工作面巷道平面布置如圖1所示。

圖1 ZF303工作面巷道平面布置Fig.1 Roadway plane layout of ZF303 working face

2 礦井沖擊地壓顯現(xiàn)及防治現(xiàn)狀

根據(jù)礦井提供現(xiàn)場(chǎng)記錄報(bào)告,下溝煤礦井下采掘活動(dòng)未曾發(fā)生過(guò)沖擊地壓顯現(xiàn)。周邊大佛寺等煤礦在工作面回采以及大巷開(kāi)拓過(guò)程中,采掘工作面出現(xiàn)過(guò)強(qiáng)烈的悶雷聲、煤塊彈射等沖擊地壓預(yù)兆,尤其開(kāi)拓巷道掘進(jìn)顯現(xiàn)劇烈且巷道掘進(jìn)一段時(shí)間后底鼓變形嚴(yán)重。根據(jù)礦方提供的資料,下溝煤礦在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,未出現(xiàn)過(guò)沖擊地壓災(zāi)害。

根據(jù)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出具的《下溝煤礦煤巖沖擊傾向性》鑒定報(bào)告,綜合評(píng)判下溝煤礦4號(hào)煤層的沖擊傾向性類別為II類,即為弱沖擊傾向性。

2.1 工作面沖擊地壓影響因素分析

沖擊地壓發(fā)生的影響因素可從多種角度進(jìn)行歸類和選取,其結(jié)果也不盡相同。廣義上講,沖擊地壓的相關(guān)影響因素包括：導(dǎo)致沖擊危險(xiǎn)性增高的因素,一般指天然形成的、難以改變的地質(zhì)因素,以及因人類活動(dòng)形成的開(kāi)采技術(shù)因素;導(dǎo)致沖擊危險(xiǎn)性下降的因素,一般指人為的、旨在降低沖擊危險(xiǎn)性的防治措施;導(dǎo)致沖擊發(fā)生之后危害性產(chǎn)生變化的因素,一般指針對(duì)沖擊地壓災(zāi)害的人員、物料、設(shè)備等方面的安全管理措施[1-3]。

在進(jìn)行沖擊地壓研究時(shí),導(dǎo)致沖擊地壓危險(xiǎn)性增高的因素是首要關(guān)注的問(wèn)題,確定該類因素的組成和作用機(jī)制后,才能論證解危工作和安全管理工作的必要性和具體方法。因此,在論述沖擊地壓發(fā)生的主要影響因素時(shí),一般指引起沖擊危險(xiǎn)性增高的因素。

2.2 工作面沖擊地壓開(kāi)采技術(shù)影響因素

2.2.1 區(qū)段煤柱

根據(jù)礦井其他工作面?zhèn)认蛎簩哟怪睉?yīng)力分布的數(shù)值模擬,表面煤柱垂直應(yīng)力分布變化劇烈,先后呈現(xiàn)出“內(nèi)外同高→內(nèi)高外低→內(nèi)低外高”的演化規(guī)律,即回采前煤柱兩側(cè)均僅受巷道影響,兩側(cè)支承壓力為巷道側(cè)向支承壓力,影響程度相當(dāng)。采空區(qū)形成初期,頂板彎曲下沉,煤柱內(nèi)側(cè)(采空區(qū)側(cè))受壓程度最大,應(yīng)力水平迅速增大,直至超過(guò)其強(qiáng)度極限后開(kāi)始屈服破壞,應(yīng)力迅速下降。隨著頂板下沉量的加大,煤柱外側(cè)垂直應(yīng)力不斷增長(zhǎng),最終超過(guò)了煤柱內(nèi)側(cè)應(yīng)力值。

可見(jiàn),側(cè)向工作面回采后,30 m寬煤柱承載較大疊加載荷,臨空留巷煤柱側(cè)壓力明顯大于回采側(cè),相應(yīng)的煤柱側(cè)沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)也就高于回采側(cè)。在回采期間,需要加強(qiáng)對(duì)煤柱內(nèi)的應(yīng)力變化的監(jiān)測(cè),為確定回采工作面區(qū)段煤柱的合理尺寸提供依據(jù)[4]。需特殊強(qiáng)調(diào)的是,煤柱內(nèi)開(kāi)挖了大量硐室和聯(lián)絡(luò)巷,加劇了應(yīng)力集中程度。

下溝煤礦ZF303工作面在掘進(jìn)期間部分區(qū)域留有30～80 m區(qū)段煤柱,造成巷道沖擊危險(xiǎn)性的增加。ZF303工作面回風(fēng)順槽與ZF302工作面采空區(qū)留有30 m區(qū)段煤柱;ZF303工作面運(yùn)輸順槽自切眼至917 m處為實(shí)體煤巷道,17～1 397 m運(yùn)輸順槽與ZF304采空區(qū)留有30～80 m不等寬煤柱,1 397～1 897 m運(yùn)輸順槽與ZF304采空區(qū)留有30 m寬區(qū)段煤柱,而后為實(shí)體煤巷道。

2.2.2 底煤厚度

沖擊地壓理論及實(shí)踐表明,沖擊地壓發(fā)生時(shí),一般均伴有嚴(yán)重底鼓,且較厚底煤的留設(shè)對(duì)沖擊地壓的發(fā)生往往起到促進(jìn)作用。對(duì)于巷道圍巖而言,頂板和巷幫一般進(jìn)行支護(hù),而底板一般無(wú)支護(hù),從而導(dǎo)致底板成為巷道最為薄弱的區(qū)域。當(dāng)沖擊載荷作用至巷道圍巖時(shí),能量也將從最薄弱的環(huán)節(jié)突破,該過(guò)程必然伴隨底板的緩慢底鼓或沖擊破壞。

巷道底板可分為3種情況：巖石底板、薄底煤(小于2 m)、厚底煤(大于2 m),其中前兩者最為多見(jiàn),厚底煤一般存在厚及特厚煤層開(kāi)采工作面。底板巖性對(duì)沖擊地壓發(fā)生的影響主要取決于底板的強(qiáng)度和載荷水平。巖石底板本身強(qiáng)度較高,承載能力大,對(duì)沖擊載荷的抵抗效果明顯。留有較薄底煤時(shí),底煤在巷道掘進(jìn)后將發(fā)生漸進(jìn)式變形破壞,承載力顯著降低,下部巖石底板仍將是承載的主體[5]。而底煤較厚時(shí),煤體必然成為承載主體,在沖擊載荷作用下更易發(fā)生破壞,尤其具有沖擊傾向性的底煤本身具備積聚彈性能并發(fā)生沖擊破壞的特性。

下溝煤礦ZF303工作面在掘進(jìn)期間留有2～3 m厚底煤,厚底煤造成了巷道回采期間沖擊危險(xiǎn)性的增加。

2.2.3 鄰近采空區(qū)影響

工作面開(kāi)采后,使回采工作面周邊的煤體形成應(yīng)力集中,如果工作面形成側(cè)向懸頂,使側(cè)向支承壓力集中程度高,將對(duì)下一工作面采掘期間的沖擊地壓危險(xiǎn)性有顯著的影響,主要是由于采空區(qū)形成的側(cè)向支承壓力與下一工作面采掘形成的采動(dòng)應(yīng)力相疊加,煤體應(yīng)力集中程度加劇,增大了工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)。研究及實(shí)踐結(jié)果表明,工作面沖擊地壓危險(xiǎn)受相鄰采空區(qū)影響明顯,采空區(qū)上方巖層形成的空間結(jié)構(gòu),不僅對(duì)煤體應(yīng)力分布有直接作用,而且在下一工作面回采時(shí),巖層空間結(jié)構(gòu)的再次平衡過(guò)程可能以動(dòng)載形式作用到煤體,加劇煤體應(yīng)力集中,沖擊危險(xiǎn)性升高。

ZF303工作面兩側(cè)采空,采空區(qū)巖層側(cè)向懸頂導(dǎo)致煤柱巷道部分區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中,增加工作面開(kāi)采期間的沖擊危險(xiǎn)性。

ZF303工作面回采期間主要受動(dòng)、靜載荷影響,其所受的靜載主要來(lái)自于自重及采空區(qū)側(cè)向支承壓力,動(dòng)載主要來(lái)自于采動(dòng)過(guò)程覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力,而巷道留有厚底煤增加了發(fā)生沖擊地壓的可能性[6]。因此,高應(yīng)力、回采期間擾動(dòng)及留底煤等因素是影響ZF303工作面回采期間沖擊地壓災(zāi)害的主要因素。

2.3 煤巖結(jié)構(gòu)與動(dòng)力災(zāi)害(沖擊地壓和礦震)關(guān)系評(píng)價(jià)

以ZF303工作面附近的綜合地質(zhì)柱狀圖為依據(jù),4號(hào)煤層覆巖中存在7處單層厚度超過(guò)10 m的巖層,細(xì)砂巖(17.87 m)、粗粒砂巖(11.56 m)、泥質(zhì)砂巖(12.04 m)、砂質(zhì)泥巖(19.72 m)、砂質(zhì)泥巖(26.43 m)、中礫巖(46.68 m)、中粒砂巖(13.52 m)。煤層頂板中存在能夠誘發(fā)沖擊危險(xiǎn)的關(guān)鍵巖層。

2.3.1 礦震

ZF303工作面頂板巖層最厚處為46.68 m的中礫巖,此巖層為臨近表土層,根據(jù)礦井地表沉陷觀測(cè),ZF303工作面相鄰采空區(qū)地表沉陷較大,表明該巖層已經(jīng)發(fā)生斷裂,沒(méi)有形成大面積懸頂。根據(jù)該巖層厚度以及斷裂情況,ZF303工作面回采過(guò)程中不存在由46.68 m厚中礫巖斷裂誘發(fā)礦震的條件,煤層上方其他巖層組厚度和強(qiáng)度均難以形成大面積懸頂。綜上,ZF303工作面不存在巨厚堅(jiān)硬礫巖層斷裂誘發(fā)礦震的條件。

2.3.2 沖擊地壓

4號(hào)煤層上方細(xì)砂巖老頂(17.87 m)周期性的斷裂,高位巖層的中礫巖(46.68 m)、中粒砂巖(13.52 m)覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)工作面開(kāi)采期間的沖擊地壓影響較大,頂板隨著工作面的回采周期性的破斷或滑移,在頂板破斷過(guò)程中可能會(huì)造成應(yīng)力集中,誘發(fā)沖擊地壓。

2.3.3 聯(lián)巷區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性分析

ZF303工作面運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽存在與ZF304工作面運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽巷道交叉區(qū)域,該區(qū)域巷道密集且形成三角煤柱,在工作面采動(dòng)應(yīng)力、采空區(qū)應(yīng)力及煤柱應(yīng)力等影響下造成應(yīng)力升高,從而使得該區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性增加。

2.3.4 區(qū)段煤柱沖擊危險(xiǎn)性分析

ZF303工作面南側(cè)臨近ZF302采空區(qū),區(qū)段煤柱為30 m。ZF303工作面北側(cè)部分區(qū)域?yàn)閷?shí)體煤;部分區(qū)域?yàn)閆F304采空區(qū),其區(qū)段煤柱存在變化,從30～80 m不等。

根據(jù)工程類比,在類似ZF303工作面開(kāi)采條件下,30 m及以上區(qū)段煤柱會(huì)儲(chǔ)存一定的彈性能,在工作面采動(dòng)過(guò)程中當(dāng)煤柱應(yīng)力達(dá)到?jīng)_擊地壓發(fā)生的臨界值時(shí),可能會(huì)誘發(fā)沖擊。ZF303工作面區(qū)段煤柱沖擊危險(xiǎn)性較高,在工作面生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)對(duì)區(qū)段煤柱加強(qiáng)觀測(cè)和采取必要的防沖措施,以降低區(qū)段煤柱發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)性[7]。

2.3.5 停采線位置影響分析

從防沖的角度,停采線位置設(shè)計(jì)必須考慮以下因素：①避免對(duì)盤區(qū)大巷形成明顯影響,增大其沖擊危險(xiǎn);②避免設(shè)計(jì)在應(yīng)力集中區(qū),尤其是設(shè)計(jì)在斷層等構(gòu)造附近;③避免超過(guò)盤區(qū)大巷保護(hù)煤柱;④避免對(duì)后續(xù)工作面形成影響,盡可能與相鄰工作面停采線對(duì)齊。

ZF303工作面停采線外分布多條巷道,其中距停采線最近的為ZF303回順斜巷,距停采線的距離為40～180 m不等;其次為支架措施巷,距停采線的距離為130～180 m不等;1號(hào)聯(lián)絡(luò)巷距停采線距離210 m;403軌道上山距停采線距離約為290 m。

3 工作面回采期間沖擊地壓區(qū)域防范措施

區(qū)域防范措施的基本原理就是在設(shè)計(jì)階段,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)降低工作面在采掘過(guò)程中的應(yīng)力集中程度。針對(duì)下溝煤礦ZF303孤島工作面的開(kāi)采和地質(zhì)條件,目前采取的區(qū)域防范措施主要包括：合理采煤方法、加強(qiáng)頂板控制、確定合理的開(kāi)采程序、合理支護(hù)方式等。

3.1 采煤方法

根據(jù)國(guó)內(nèi)其他礦井的大量工程實(shí)踐表明,沖擊地壓的發(fā)生因采煤方法的不同而存在差異,對(duì)于具有沖擊危險(xiǎn)性的厚煤層,當(dāng)采用分層開(kāi)采時(shí),常常因開(kāi)采頂分層時(shí)的應(yīng)力過(guò)于集中而導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生,甚至造成人員傷亡和設(shè)備的損壞。

ZF303工作面采用走向長(zhǎng)臂綜合機(jī)械化放頂煤工藝,工作面均采用采煤機(jī)落煤,采煤機(jī)滾筒配合刮板運(yùn)輸機(jī)裝煤,刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤,液壓支架維護(hù)工作面頂板,全部垮落法處理采空區(qū)。其開(kāi)采方法對(duì)于沖擊地壓的防治是有利的。

對(duì)多個(gè)礦井的沖擊地壓事故分析,在留有底煤的采場(chǎng),沖擊地壓發(fā)生時(shí),以底鼓和煤巖壓入采場(chǎng)空間為主要顯現(xiàn)特征。其發(fā)生機(jī)理就是在礦山采動(dòng)或采掘面擾動(dòng)下誘發(fā)底板煤巖層變形能的瞬時(shí)釋放,表現(xiàn)為底板煤巖層突然向上突出,引起采掘空間圍巖、設(shè)備破壞的沖擊地壓災(zāi)害。因此在采取綜采采煤工藝時(shí),盡量不留設(shè)底煤,當(dāng)?shù)酌毫粼O(shè)無(wú)法避免時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)底煤進(jìn)行卸壓處理。

3.2 生產(chǎn)能力

根據(jù)礦井的生產(chǎn)技術(shù)條件、煤炭資源儲(chǔ)量,結(jié)合礦區(qū)總體規(guī)劃和相關(guān)批準(zhǔn)文件,礦井核定產(chǎn)量270萬(wàn)t/a。礦井生產(chǎn)能力是礦井同時(shí)生產(chǎn)的采煤工作面和掘進(jìn)工作面產(chǎn)量的綜合,與沖擊地壓方面產(chǎn)生影響主要在于礦井采掘工作面之間的擾動(dòng)影響、單工作面的采動(dòng)影響等,主要從采掘距離與推進(jìn)度方面反映。因此礦井嚴(yán)格按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定要求,即避免采掘擾動(dòng),又保障合理產(chǎn)能。確定合理的推進(jìn)速度,是在保障礦井合理產(chǎn)能基礎(chǔ)上,防范沖擊地壓發(fā)生的有效措施。雖然目前還沒(méi)有相關(guān)技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊地壓煤層開(kāi)采的工作面推進(jìn)或巷道掘進(jìn)速度做出規(guī)定,但根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)情況和理論分析,過(guò)快或波動(dòng)較大的采掘速度均不利于煤巖體能量的均勻釋放。

根據(jù)礦井及相鄰礦井相關(guān)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)工作面采用慢速且勻速推進(jìn)時(shí),工作面的頂板能量能夠均勻釋放,同時(shí)大能量事件也明顯減少,能夠有效的降低沖擊危險(xiǎn)[8]。因此,對(duì)于ZF303工作面具體回采速度應(yīng)根據(jù)工作面的地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件,并參考各監(jiān)測(cè)手段取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以確定出合理的推進(jìn)度,并保持采掘工作面的勻速推進(jìn),避免忽快忽慢。

目前,工作面尚未開(kāi)采且未有相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),故參考相鄰礦井孤島工作面的開(kāi)采速度,建議該工作面弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域日進(jìn)尺為4 m,中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域日進(jìn)尺為3.2 m,在推采到特殊區(qū)域時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整推進(jìn)速度。

3.3 支護(hù)形式

通過(guò)對(duì)ZF303工作面沖擊地壓發(fā)生影響因素分析,自重及采空區(qū)側(cè)向支承壓力是工作面集中靜載的主要來(lái)源,工作面移架不及時(shí)且支架初撐力不夠都將使集中靜載轉(zhuǎn)移到工作面前方煤體上,導(dǎo)致煤體應(yīng)力集中,增加了工作面發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)[9-10]。因此在采區(qū)工作面推進(jìn)中,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)工作面支護(hù)質(zhì)量的管理,提高初撐力,保障支架良好的工作狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

孤島工作面在實(shí)際回采過(guò)程中,隨著地質(zhì)和開(kāi)采條件變化,沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域及等級(jí)也是動(dòng)態(tài)變化的,需進(jìn)行采掘過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警,確定采掘期間的沖擊地壓危險(xiǎn)性。沖擊危險(xiǎn)性、監(jiān)測(cè)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)開(kāi)采條件在防治過(guò)程中應(yīng)通過(guò)實(shí)踐進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,并加強(qiáng)解危效果檢驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管,任何環(huán)節(jié)管理不到位都可能導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。