梁寶寺礦3400采區沖擊地壓防治措施

郝長勝，高國強，鄭彥濤，楊永杰，李福玲，常江波

(內蒙古科技大學礦業工程學院，內蒙古 包頭 014010)

梁寶寺井田位于山東省西南部，東南距嘉祥縣城約20 km，地理坐標為東經 116°10'～ 116°17'，北緯35°32'～ 35°38'。井田東西寬約 9 km，南北長約 11 km，面積約 97 km2。

3400采區采深大，平均采深均在800 m以上，且煤層厚度大，平均煤厚5.0 m，雖然從未發生過沖擊地壓現象，防治沖擊地壓工作仍不容忽視。采區采動后，各種巷道和采煤工作面的周圍巖體內將發生應力重新分布［1，2］，若形成應力集中，在應力集中區域易積聚彈性變形能［3］，當達到臨界破壞條件時，受其他采掘活動影響，就可能發生沖擊地壓［4］。在一定的煤層賦存條件、地質條件、開采條件以及大面積采空區懸頂等條件下，有發生沖擊地壓的危險性。所以，必須制定防沖措施，落實責任，防止沖擊地壓現象的發生。

1 危險區域的劃分

梁寶寺礦井3400采區初期采用條帶開采，后期村莊搬遷后采用長壁工作面開采，開采期間要面臨以下幾種情況:

1)兩側都是實體煤的開采。其工作面邊界示意圖見圖1。

圖1 工作面兩側實體煤示意圖

2)一側采空工作面的開采。

工作面一側采空的情況下，當該工作面的老頂初次斷裂完成后，其上位巖層將與上區段同位巖層一起運動，即老頂的上位巖層將連在一起運動，形成一個“S”型空間結構。該空間結構導致采空區一側巷道超前支護困難，在一定的條件下很容易誘發沖擊地壓。

該工作面的防沖工作要點如下:

a)中度危險區域2個，即老頂初次來壓及應力集中區。

b)高度危險區域2個，即單工作面見方、雙工作面見方。

3)不對稱孤島工作面的防沖技術。

不對稱孤島工作面是指一側采了一個工作面，另一側采了多個工作面的邊界條件。

不對稱孤島工作面隨著工作面的推進，最終3個工作面采空區連為一體，導致本工作面成為兩面采空的孤島工作面，三工作面覆巖劇烈運動，最終形成“C”型覆巖空間結構，此時厚硬巖層的運動易造成工作面來壓大，誘發工作面前方巷道和上、下端頭附近區域發生沖擊地壓。

不對稱孤島面工作面兩側的覆巖結構不同，在采空區一側，上覆巖層完全垮落，斷裂巖層已經觸矸，地表已經完全沉降，因此，在這一側煤柱上方的支承壓力較小;而另一側的高位堅硬巖層并未斷裂，仍橫跨于兩側的實體煤上方，則其煤柱上方的支承壓力較大，且隨著工作面開采，覆巖結構將發生變化，容易引起工作面的動力災害。因此，在上順槽一側沖擊危險性更大。

4)對稱完全孤島工作面的防沖技術。

對稱完全孤島工作面是指待采工作面兩側已經有多個工作面開采完畢，且采空區上方巖層已經完全斷裂，地表達到了充分沉陷的程度。

5)對稱不完全孤島工作面的防沖技術。

對稱不完全孤島工作面是指待采工作面兩側只有1或2個工作面開采完畢，且采空區上方巖層沒有完全斷裂，地表沒有出現明顯變形。

這類工作面最大的沖擊災害將發生在3個工作面采空區上方高位堅硬巖層斷裂階段。

2 防沖措施

2.1 區域防沖管理

上述五種情況下的工作面動力災害防治關鍵技術如下:

第一步:對可能發生的沖擊危險區域和危險程度進行評價。

第二步:對危險區進行提前卸壓處理。

第三步:開采過程中進行監測預報。

第四步:采用檢驗手段檢驗卸壓效果。

具體的措施如下:

第一步:對可能發生的沖擊危險區域和危險程度進行評價。

通過采用巖層運動和礦山壓力理論、壓力計算、構造分析等方法，在工作面回采之前，對工作面危險性進行評價，沖擊地壓危險區預測結果為:

老頂初次來壓前夕:當工作面推進到老頂初次來壓時，可能發生小能量沖擊地壓，此時一般為中度沖擊。

工作面采空區見方階段:工作面推進到工作面采空區見方或多個連續工作面采空區見方時，極有可能發生災害性大能量沖擊地壓，礦區內有強烈震感，此時一般為高度沖擊。

正常推進期間老頂周期來壓階段:主要是老頂周期來壓的動壓誘發小的斷裂震動，但是能量不大，只在工作面有震感，此時一般為中度沖擊。

工作面過斷層前階段:工作面見斷層前40 m左右，地應力與構造力疊加，易發生沖擊地壓，根據斷層性質和落差、巖性，判定為中度、高度沖擊。

不規則開采階段:工作面不規則開采時，應力疊加，易發生沖擊地壓，此時一般為中度沖擊。

第二步:對危險區進行提前卸壓處理。

為了確保3400采區工作面的安全開采，應采取“主動解危措施”，并實施監測監控，同時建立相應的管理制度。

主動解危措施:對于劃定的危險區域應采取鉆孔法進行主動解危。

1)一般危險區域:嚴格進行鉆粉監測。

2)中度危險區域:打卸壓孔卸壓，孔徑110 mm，孔間距3～5 m。

3)高度危險區域:打卸壓孔卸壓，孔徑110 mm，孔間距2～3 m。

4)鉆孔深度:采放厚度≤3 m時，孔深12 m。采放厚度3～5 m時，孔深17 m。采放厚度5～8 m時，孔深22 m。

5)開采過程中要經常性打直徑42 mm的孔檢驗危險區的應力狀況，檢驗卸壓孔的卸壓效果，從而決定是否需要加密鉆孔或斷頂。

根據工作面頂板情況，煤層上直接覆蓋堅硬厚層砂巖，需要在開切眼和預計的沖擊地壓危險區進行深孔斷頂卸壓。

具體參數和工藝在每個工作面另行制定深孔斷頂卸壓實施方案。

第三步:開采過程中進行監測預報。

具有高沖擊危險性工作面必須采取預測預報方法進行預警，預警方法有以下幾種:鉆屑法、沖擊地壓在線監測法、高精度微震監測法、電磁輻射等。

第四步:采用檢驗手段檢驗卸壓效果。

開采過程中，采用沖擊地壓監測預警系統進行預測預報，同時采用鉆屑法［5］進行檢驗。

2.2 煤體注水

煤層注水后由于煤的結構發生改變，導致強度下降，煤體積蓄彈性能的能力隨之下降，沖擊傾向性減弱，甚至完全失去沖擊能力，而以塑性變形方式消耗彈性能的能力增加，因此，煤層中儲存的可恢復彈性能減少。對有沖擊傾向性的煤層進行煤體注水是一種很好的卸壓解危方法之一。

1)鉆孔設計。

a)鉆孔布置:工作面軌道順槽、皮帶順槽自切眼以外10 m開始布置第一個鉆孔，向外每隔20 m布置一個，深度50 m，一直布置至停采線位置。

b)鉆孔開孔位置視煤層裸露情況，布置在底板以上1000～1500 mm為宜，沿煤層傾斜方向，鉆孔直徑50 mm。

2)注水設計。

單孔注水量:

其中:

Kx—鉆孔前方煤體受濕潤系數，取1.2;

L—鉆孔長度，m;

B—鉆孔間距，m;

M—開采厚度，m;

W—煤的容重，t/m3，取1.42;

q—噸煤注水量，m3/t，取 0.04。

Q單=1.2 ×50 ×10 ×3 ×1.42 ×0.04=102.24 m3

若鉆頭進入煤層頂底板，達不到設計孔深的2/3時，要報廢該孔，另選適當位置，調整角度，重新開孔。

鉆孔達到設計深度后，必須用清水沖孔，排凈孔內煤粉，臨時停鉆時，要將鉆頭提離孔底5 m，以防卡鉆。

當流量表不再顯示進水量后，穩定2 h后，方可停止注水。

2.3 掘進工作面防沖措施

在可能發生沖擊地壓危險區域內采用鉆屑法監測預警時，若發現鉆孔內有動力顯現，如嚴重卡鉆、鉆孔壁有沖擊等現象，則需采取措施進行卸壓。

1)掘進迎頭放卸壓炮。

在掘進施工迎頭中部布置3個眼，高度1.2 m左右，以方便打眼為原則，眼距0.4 m，眼深8 m，裝藥長度為4 m，并封滿炮泥。每掘進3～5 m放一次卸壓炮，始終超前卸壓3～5 m。卸壓炮眼布置見圖2。

圖2 掘進迎頭卸壓炮眼布置圖

躲炮半徑按安全規程規定要大于150 m，躲炮時間要大于30 min。

鉆孔施工后要及時裝藥、引爆，以防塌孔或將炸藥壓死而出現拒爆。

迎頭放卸壓炮后，要在距離迎頭15～50 m范圍用鉆屑法進行監測檢驗，當鉆孔煤粉量≥2.6 kg/m時，必須采取大直徑鉆孔進行卸壓解危。

2)大直徑鉆孔卸壓。

大直徑鉆孔施工位置:巷道掘進迎頭鉆孔布置平面圖見圖3，剖面圖見圖4。

圖3 巷道掘進迎頭鉆孔布置平面圖

圖4 巷道掘進迎頭鉆孔布置剖面圖

大直徑鉆孔施工要求:鉆孔直徑大于110 mm，鉆孔深度12 m(3.5倍巷道高度)。

在掘進迎頭后方采用鉆屑法檢驗沖擊危險時，如果發現兩幫15 m深度范圍內有沖擊危險，鉆孔煤粉量≥2.6 kg/m，則需要在實體煤幫打大直徑卸壓孔卸壓，在掘進迎頭后方5 m范圍內開始施工，間距3～5 m，深度12 m。

2.4 采煤工作面防沖措施

1)打卸壓孔卸壓。

首先對可能發生的沖擊危險區域和危險程度進行評價。通過采用巖層運動和礦山壓力理論、壓力計算、構造分析等方法，在工作面回采之前，對工作面危險性進行評價，評價有中度以上沖擊危險時，打卸壓孔卸壓。

a)中度危險區域:打卸壓孔卸壓，孔徑110 mm，孔間距3～5 m。

b)高度危險區域:打卸壓孔卸壓，孔徑110 mm，孔間距2～3 m。

c)鉆孔深度:采放厚度≤3 m時，孔深12 m。采放厚度3～5 m時，孔深17 m。采放厚度5～8 m時，孔深22 m。

大直徑卸壓鉆孔平面布置示意圖見圖5。大直徑卸壓鉆孔傾向剖面示意圖見圖6。

開采過程中要經常性打直徑42 mm的孔檢驗危險區的應力狀況，檢驗卸壓孔的卸壓效果，從而決定是否需要加密鉆孔和放震動炮及斷頂。

2)放震動炮卸壓解危［6］。

打卸壓孔后，用鉆屑法進行監測檢驗，當煤粉量≥3.5 kg/m時，必須停止一切工作，進行放震動炮解危。

震動炮布置方式:眼深8 m，裝藥長度達到4 m，眼間距3 m。平行于煤層層理布置炮眼，炮眼直徑42 mm。

躲炮半徑按安全規程規定要大于150 m，躲炮時間要大于30 min。

鉆孔施工后要及時裝藥、引爆，以防塌孔或將炸藥壓死而出現拒爆。

3 結論

生產實踐表明，梁寶寺煤礦3400采區應用的防沖措施能夠有效地防范沖擊地壓事故的發生，通過檢測方法的綜合運用，保證了該采區工作面的安全、順利開采。該采區在生產過程中因為防沖措施得當，有效地防止了沖擊地壓的發生，使礦井能安全生產，說明該礦對沖擊地壓采取的防治措施是行之有效的，具有借鑒作用。

［1］于麗艷.急傾斜煤層的沖擊地壓危險區域劃分研究［J］.山西建筑，2012(8):84.

［2］李化敏，李剛鋒.平煤四礦丁5，6煤層沖擊動力災害危險區域劃分的研究［J］.河南理工大學報，2011(8):392.

［3］竇林名，趙從國.煤礦開采沖擊礦壓災害防治［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2006:265－268.

［4］竇林名，何學秋.采礦地球物理學［M］.北京:中國科學文化出版社，2002:56.

［5］曲效成，姜福興.基于當量鉆屑法的沖擊地壓監測預警技術研究及應用［J］.巖石力學與工程學報，2011(11):23－47.

［6］杜青炎，楊 超.孤島巨厚礫巖層沖擊地壓預測預報及綜合防治［J］.中州煤炭，2010(7):93.