多因素耦合高靜載窄短工作面防沖管控對策

肖自義 周衛(wèi)國

（1.國家礦山安全監(jiān)察局山東局，山東 濟南 250031；2.魯西礦業(yè)公司彭莊煤礦，山東 菏澤 274700）

近年來，我國發(fā)生的沖擊地壓事故都造成了不小的人員傷亡和財產(chǎn)損失，各級政府和煤炭企業(yè)對沖擊地壓防治工作高度重視，尤其山東省提出了“三限三強”、“一礦兩面三刀”、限制千米以深區(qū)域開采的政策。科研院校和煤炭企業(yè)也積極開展沖擊地壓防治理論研究和工程實踐，在煤體卸壓、頂板爆破預(yù)裂、水力致裂、監(jiān)測預(yù)警、安全防護等方面不斷取得新突破，對沖擊地壓防治有較高的指導(dǎo)意義。以上政策、技術(shù)具有普適性特點，對地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件相對復(fù)雜的特殊區(qū)域，還應(yīng)采取針對性強化措施。彭莊煤礦地處山東菏澤巨野礦區(qū)，屬沖擊地壓礦井，3307 工作面埋深大，受采空區(qū)、巷道群切割、斷層等多種因素影響，局部形成了三角煤柱高應(yīng)力集中區(qū)，沖擊風(fēng)險高。彭莊煤礦通過對辨識出的高應(yīng)力集中區(qū)采取高密度卸壓、爆破斷頂、提高超前支護強度等一系列針對性措施[1-7]，將高應(yīng)力釋放或轉(zhuǎn)移，提高了巷道抗沖擊能力，有效降低了沖擊風(fēng)險，實現(xiàn)了3307 工作面的安全正常回采。以上防治方法對于存在類似條件的工作面開采具有一定的借鑒意義。

1 工作面基本情況

1.1 工作面概況

彭莊煤礦主采3下煤層，煤厚平均2.78 m，煤層傾角6°～20°，最大埋深1051 m。3307 工作面位于三采區(qū)，工作面長52 m，推采長度306 m，埋深900～962 m，單斜構(gòu)造，煤層傾角6°～15°，煤厚2.7～3.1 m，仰斜開采。兩順槽巷道主動支護為錨網(wǎng)索支護、W 鋼帶和鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)護表，工作面超前120 m 范圍內(nèi)支設(shè)ZQ4000/20.6/45 單元支架，支架中心距5 m。

1.2 沖擊危險性評價

根據(jù)綜合指數(shù)法，3307 工作面回采期間地質(zhì)因素影響下沖擊地壓危險性指數(shù)為0.52，開采技術(shù)因素影響下沖擊地壓危險性指數(shù)為0.47，評定為中等沖擊地壓危險。工作面劃分沖擊危險區(qū)11 個，其中弱沖擊危險區(qū)3 個，中等沖擊危險區(qū)6 個，強沖擊危險區(qū)2 個。強沖擊危險區(qū)位于膠帶順槽切眼以外100 m 范圍內(nèi)和軌道順槽切眼以外20 m 范圍內(nèi)。

1.3 巷道支護

1.3.1 主動支護

巷道采用錨網(wǎng)索支護，斷面形狀為矩形，凈寬5.1 m，凈高3.8 m，凈斷面17.38 m2。支護形式如下：巷道頂板采用Φ20 mm×2400 mm 高強高預(yù)應(yīng)力螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿加裝讓壓管（40 mm），間排距為850 mm×1000 mm。巷道幫部采用Φ20 mm×2200 mm 普通螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1000 mm×1000 mm。頂板和兩幫均采用冷拔鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)配合“W”鋼帶護表，經(jīng)緯網(wǎng)網(wǎng)格為100 mm×100 mm，巷道超高時可增加錨桿配合鋼護板護表；對煤巷和半煤巖巷的巖石部分不再使用“W”鋼帶或鋼護板，直接用錨桿托盤壓網(wǎng)。頂板采用Φ21.6 mm×6000 mm 的低松弛鋼絞線，呈“二一二”布置，間排距2400 mm×1000 mm。巷道支護斷面如圖1。

圖1 兩順槽巷道支護斷面圖（mm）

1.3.2 被動支護

兩順槽超前支護長度不小于120 m，采用單元支架進行支護，前后相鄰單元支架中心距5 m。軌道順槽布置2 排單元支架并排支護，膠帶順槽布置1 排單元支架。采用單軌吊“尾變首大循環(huán)”挪移方式：超前支護尾部單元支架需要挪移時，先借助單體支柱或手拉葫蘆將超前支護尾部單元支架挪移至巷中，再使用單軌吊將單元支架移至超前支護外端指定位置，完成“尾變首”挪移循環(huán)。 兩順槽超前段單元支架布置方式如圖2。

圖2 工作面兩順槽被動支護示意圖（m）

1.4 防沖措施

1）微震監(jiān)測

為了保證工作面回采期間的微震監(jiān)測精度，保證最少4 個微震傳感器同時覆蓋。在工作面回采后，在相應(yīng)巷道中布置2～3 個傳感器。

2）鉆屑監(jiān)測

在工作面兩順槽超前100 m 范圍內(nèi)施工。回采巷道兩幫監(jiān)測區(qū)域應(yīng)覆蓋采動應(yīng)力影響范圍，每次監(jiān)測每幫各不少于3 個孔，鉆孔深度12 m，鉆孔間距為弱沖擊危險區(qū)30 m、中等沖擊危險區(qū)20 m、強沖擊危險區(qū)10 m。弱沖擊地壓危險區(qū)每隔3 d 監(jiān)測一次，中等沖擊地壓危險區(qū)每隔2 d 監(jiān)測一次，強沖擊危險區(qū)每隔1 d 監(jiān)測一次。

所謂的“專利權(quán)用盡”，其實是指這樣一個法律規(guī)則，即經(jīng)專利權(quán)人同意而售出商品或者將商品投入市場后，買方使用或轉(zhuǎn)售該商品的行為就不再構(gòu)成專利侵權(quán)。中國專利法第69條(一)規(guī)定，“有下列情形之一的，不視為侵犯專利權(quán)：(一)專利產(chǎn)品或者依照專利方法直接獲得的產(chǎn)品，由專利權(quán)人或者經(jīng)其許可的單位、個人售出后，使用、許諾銷售、銷售、進口該產(chǎn)品的；……”

3）應(yīng)力監(jiān)測

工作面前方監(jiān)測范圍不小于300 m，每組兩個測點，同一監(jiān)測組內(nèi)相鄰監(jiān)測點間距不超過2 m，埋設(shè)深度分別為淺孔8 m、深孔13 m，采用回采幫單側(cè)布置方式，間距不大于30 m。因受斷層、巷道沖刷等構(gòu)造影響導(dǎo)致迎頭變成全巖的，全巖段巷道不安裝應(yīng)力計，應(yīng)力計間距可不受以上條件限制。因受斷層影響導(dǎo)致應(yīng)力計安裝深度達不到以上深度要求的按以下原則安裝應(yīng)力計：當(dāng)鉆孔深度達不到深孔應(yīng)力計設(shè)計安裝深度時，可在規(guī)定間距位置只安裝淺孔應(yīng)力計；當(dāng)鉆孔深度達不到淺孔應(yīng)力計設(shè)計安裝深度時，可不再安裝應(yīng)力計。另外，規(guī)定間距位置處回采幫受斷層影響不宜安裝應(yīng)力計時，也可在同位置處非采幫安裝（非采幫沿空或沿老巷的除外，遇到此種情況可適當(dāng)調(diào)整采幫側(cè)應(yīng)力計安裝間距進行安裝）。鉆孔一般距離巷道底板0.5～1.5 m；若遇煤層變薄、巷道破巖量增加，鉆孔高度不能滿足以上參數(shù)要求時，應(yīng)力計能保證安裝在煤層中，鉆孔均應(yīng)平行煤層，垂直于巷道煤壁施工。應(yīng)力計初始打壓不低于5 MPa，淺孔10 MPa 應(yīng)力預(yù)警，深孔12 MPa 應(yīng)力預(yù)警。

4）大直徑鉆孔卸壓

在工作面兩順槽兩幫施工卸壓孔，超前工作面250 m 完成預(yù)卸壓，鉆孔直徑150 mm。煤厚低于3.5 m 時孔深不小于15 m，煤厚大于3.5 m 時孔深不小于20 m。弱沖擊危險區(qū)孔間距不大于3 m，中等沖擊危險區(qū)孔間距不大于2 m；強沖擊危險區(qū)孔間距不大于1 m。孔口距巷道底板0.5～1.5 m。當(dāng)煤層薄，破巖厚度超過1.5 m 時，卸壓孔必須在煤層中施工。鉆孔平行于煤層，垂直于煤壁。

5）防護措施

實施防沖限員管理，在工作面超前300 m 位置設(shè)置限員管理站；人員進入強沖擊危險區(qū)佩戴防沖服；安設(shè)壓風(fēng)自救裝置；沖擊危險區(qū)內(nèi)材料和設(shè)備、管線采取固定措施；強沖擊危險區(qū)嚴(yán)禁存放備用材料和設(shè)備；移動變電站設(shè)置在無沖擊危險的全巖巷道中。

1.5 主控因素分析

3307 工作面沖擊地壓危險主控因素為埋深、不規(guī)則煤柱、巷道群、斷層、“見方”等。3307 工作面與3302 采空區(qū)之間留有0～47 m 的三角形煤柱，為高應(yīng)力集中區(qū)。工作面初采和“見方”期間，工作面超前支承應(yīng)力疊加前方聯(lián)絡(luò)巷與兩順槽切割形成的應(yīng)力增高區(qū)，沖擊風(fēng)險進一步升高。另有工作面膠帶順槽靠近切眼位置存在3 條落差1.5 m 的斷層，工作面停采線附近存在3條落差1～1.7 m的斷層，以上兩個區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力相對其他區(qū)域較高。結(jié)合工作面掘進、擴修期間防沖監(jiān)測和預(yù)卸壓情況，確定工作面初采三角煤柱區(qū)和停采線附近斷層密集區(qū)為沖擊地壓發(fā)生的高風(fēng)險區(qū)域，作為重點管控對象。辨識出的高風(fēng)險危險區(qū)為兩個陰影區(qū)域，如圖3。

圖3 3307 工作面高沖擊風(fēng)險區(qū)域辨識圖

2 強化防治措施

2.1 高密度大直徑鉆孔卸壓

3307 工作面巷道掘進期間進行了幫部大直徑鉆孔預(yù)卸壓，卸壓孔直徑150 mm，孔深15 m。煤柱寬度低于5 m 的不再施工卸壓孔。強沖擊危險區(qū)卸壓孔間距1 m，中等沖擊危險區(qū)卸壓孔間距2 m，弱沖擊危險區(qū)卸壓孔間距3 m。為防止掘進期間卸壓孔變形擠壓失效影響卸壓效果，工作面回采前，重新按照回采沖擊危險區(qū)劃分要求的卸壓孔間距，再次施工一遍卸壓孔，并保證卸壓孔超前工作面不低于250 m。綜合考慮掘進期間和回采期間施工的卸壓孔，工作面回采前卸壓孔實際間距在1～1.5 m之間，確保了對煤體的充分卸壓。另外工作面回采期間密切關(guān)注卸壓孔塌孔情況，凡發(fā)現(xiàn)工作面前方卸壓塌孔明顯的情況，及時安排人員進行掏孔，確保卸壓效果。3307 面兩順槽幫部卸壓孔布置情況如圖4。

圖4 3307 面兩順槽幫部卸壓孔布置示意圖（m）

2.2 頂板爆破預(yù)裂

3307 工作面實施頂板預(yù)裂爆破的主要目的有兩個：一是通過有效切斷3302 采空區(qū)懸頂，降低3307 膠帶順槽附近應(yīng)力集中程度；二是通過對停采線附近的斷層實施擾動爆破，提前釋放斷層附近的構(gòu)造應(yīng)力，有效降低沖擊地壓發(fā)生的風(fēng)險。

通過分析附近的X-11 鉆孔資料，得出煤層上方9.35 m 的直接頂、7.75 m 厚的中砂巖、5.53 m 的細(xì)砂巖為斷頂?shù)年P(guān)鍵層。詳見表1。

表1 X-1 鉆孔柱狀表

根據(jù)斷頂目的不同將斷頂鉆孔分為兩類：Ⅰ類為斷層爆破擾動孔，Ⅱ類為切斷采空區(qū)懸頂鉆孔。斷頂孔布置如圖5。

圖5 3307 工作面爆破斷頂孔布置平面圖

2.3 特殊區(qū)域針對性加強支護措施

3307 膠帶順槽切眼以外的0～100 m 范圍，為辨識的沖擊地壓高風(fēng)險區(qū)。該段巷道在一定程度上受3302 工作面的采掘擾動影響，處于采空區(qū)側(cè)壓峰值區(qū)，采掘過程中頂板破壞嚴(yán)重，局部出現(xiàn)臺階式下沉現(xiàn)象。為確保安全回采，對該段巷道采取針對性加強支護措施，將單元支架中心距由常規(guī)的5 m 縮至3 m，增加了被動支護面積和支護強度，提升了抗沖擊能力。如圖6。

圖6 3307 膠帶順槽加強支護平面圖（m）

3 效果檢驗

1）微震檢驗

對3307 工作面采取一系列治理措施后，工作面推采過程中未發(fā)生較大的微震事件，未出現(xiàn)應(yīng)力和鉆屑預(yù)警情況。微震多以二次方小能量事件為主，推采過程中未出現(xiàn)能量積聚的情況，三次方以上微震事件分布較為分散。整個推采過程發(fā)生四次方以上能量事件兩次，最大能量為3.5×104J 事件，位于3309 膠帶順槽開切眼以外150 m 位置附近，由斷頂爆破誘發(fā)產(chǎn)生。工作面推采初期的三角煤柱區(qū)未出現(xiàn)應(yīng)力異常和動力顯現(xiàn)，膠帶順槽原頂板破碎區(qū)的頂板未出現(xiàn)明顯的下沉，頂板離層儀深、淺基點讀數(shù)增加幾乎為0。

2）應(yīng)力及鉆屑檢驗

工作面推采過程中，未監(jiān)測到應(yīng)力和鉆屑預(yù)警。

綜上分析，采取大密度幫部卸壓、針對性爆破斷頂和加強被動支護措施，對防控3307 工作面沖擊風(fēng)險是有效的。

4 結(jié)論

1）針對彭莊煤礦3307 工作面存在大埋深、采空區(qū)、巷道群、斷層等多重因素影響，采取了高密度大直徑鉆孔卸壓、針對性加強支護和頂板爆破預(yù)裂卸壓等專項防沖措施，解決了多因素耦合高靜載窄短工作面安全回采問題，尤其是對采空區(qū)之間形成的高靜載三角煤柱區(qū)域的卸壓治理和巷道頂板控制起到了較好效果。

2）通過沖擊地壓監(jiān)測驗證，3307 工作面回采過程中沒有出現(xiàn)鉆屑和應(yīng)力預(yù)警，沒有大能量的微震事件發(fā)生。相關(guān)專項措施通過了實際的檢驗，為今后類似工作面回采提供了參考。