深井沖擊地壓評價方法及解危技術(shù)研究

門會理，馬學(xué)民，張勇，柳海濱

（1.山東能源臨沂礦業(yè)集團 邱集煤礦，山東 德州 251105;2.山東東山軍城能源開發(fā)有限公司，山東 濟寧 272350）

1 開采技術(shù)條件概述

某煤礦含煤地層為石炭-二疊系太原組（C2P1t）和二疊系山西組（P1s），平均地層總厚213.69m。全區(qū)可采和局部可采煤層4層（3下、6、16上、17）。可采煤層平均純煤總厚5.49m，可采含煤系數(shù)2.6%；其中以3下為主要可采煤層，均厚3.44m，占可采煤層總厚的63%。3下煤頂板冒裂范圍內(nèi)，以中、細(xì)砂巖巖組為主，局部為泥巖巖組。直接頂以中、細(xì)砂巖為主，厚2.60～12.39m；局部為砂質(zhì)泥巖，厚2.85 m；僅在西翼中部為泥巖頂板，厚0.55～1.95 m。底板擾動范圍內(nèi)，基本為粉砂巖、泥巖巖組，抗壓強度9.58～88.60MPa。直接底以粉砂巖為主，厚0.65～5.57m；次為泥巖和砂質(zhì)泥巖，厚2.05～11.00m。

2 沖擊地壓發(fā)現(xiàn)地點和強度評價

2.1 采動應(yīng)力場的分布規(guī)律

根據(jù)經(jīng)驗和礦山壓力分布規(guī)律，在其西翼采區(qū)，采深約600 m，工作面移動支承壓力應(yīng)力集中系數(shù)按2.0，最大應(yīng)力30 MPa，煤層單向抗壓強度21.5～26.3 MPa，應(yīng)力比達(dá)1.14～1.39，未超過發(fā)生沖擊地壓的基本應(yīng)力水平（1.5倍應(yīng)力比）。若工作面一側(cè)臨空，其應(yīng)力水平較理論計算值高。

2.2 應(yīng)力和沖擊傾向性分別對“發(fā)生沖擊地壓”事件的

隸屬度計算

1）應(yīng)力對“發(fā)生沖擊地壓”的隸屬度算式為：

應(yīng)力隸屬度

式中：I c=krH/[σc]。西翼工作面應(yīng)力集中區(qū)域，k=2；I c=30/23.9MPa=1.25。即采動應(yīng)力對“發(fā)生沖擊地壓”事件的隸屬度為：UIc=0.75。

2）沖擊傾向性對“發(fā)生沖擊地壓”的隸屬度算式為：

傾向性隸屬度

式中：WET為彈性能指數(shù)。西翼工作面WET為7.62（取實驗結(jié)果的平均值）。相應(yīng)UWET=1.0。

2.3 計算沖擊地壓發(fā)生的可能性指數(shù)

可能性指數(shù)U=（UIc+UWET）/2=0.875。根據(jù)表1，初步確定某一點沖擊地壓發(fā)生的可能性。西翼工作面U=0.875，接近發(fā)生沖擊地壓的應(yīng)力條件，特別是在遇到斷層、巖層強烈的斷裂運動期間，若不提前采取防治措施，則有發(fā)生小范圍沖擊地壓的危險。

表1 沖擊地壓發(fā)生可能性評價指標(biāo)

3 西翼采區(qū)沖擊地壓危險區(qū)劃分

西翼采區(qū)煤層賦存標(biāo)高－450～－1 200 m，進(jìn)入深部開采，此時決定工作面周圍礦山壓力顯現(xiàn)程度的巖層運動范圍，已超出了直接頂和老頂?shù)姆秶?；老頂上方巖層狀況決定了關(guān)鍵巖層的運動，從而決定了礦山壓力的顯現(xiàn)程度；覆巖以空間結(jié)構(gòu)的形式影響采場礦山壓力的顯現(xiàn)。

1）老頂初次來壓危險區(qū)。根據(jù)經(jīng)驗，西翼工作面初次來壓步距40～70m。直接頂垮落之后，工作面上方的老頂隨著工作面的推進(jìn)，懸露面積繼續(xù)增大，老頂逐漸形成支點分別位于工作面前方和切眼煤體的支撐結(jié)構(gòu)，見圖1。本階段劃定影響區(qū)域為距開切眼40～120m；當(dāng)工作面推進(jìn)到40 m后，其前方100 m為沖擊影響區(qū)，見圖2。該危險區(qū)一般以“炸幫”、“煤炮”的形式出現(xiàn)，因此超前支護(hù)要加強。

圖1 老頂初次來壓的斷裂分析

圖2 西翼工作面老頂初次來壓與沖擊地壓危險區(qū)關(guān)系圖

2）單工作面“見方”危險區(qū)。隨著工作面采入單工作面見方階段，工作面推進(jìn)過程中，覆巖破裂高度不斷向上發(fā)展，該階段巖層破裂高度達(dá)50～70 m，此高度范圍位于第三組關(guān)鍵層，進(jìn)入單工作面‘見方’導(dǎo)致該組巖梁發(fā)生斷裂，堅硬巖層的破裂，容易誘發(fā)動力災(zāi)害。因此本階段劃定影響區(qū)域為當(dāng)工作面推采距離切眼120～180 m左右，在工作面前方80～100 m范圍內(nèi)是危險區(qū)，見圖3，屬于沖擊地壓中度危險區(qū)。

圖3 西翼工作面見方與沖擊地壓危險區(qū)關(guān)系

4 沖擊地壓解危措施

西翼采區(qū)主要采用煤層注水卸壓，若其達(dá)不到卸壓效果時，可用鉆孔卸壓或爆破卸壓進(jìn)行解危。首先對超前工作面80 m范圍內(nèi)的煤體注水，改變煤的物理力學(xué)性質(zhì)，降低煤層沖擊傾向和應(yīng)力狀態(tài)；其次在正常監(jiān)測范圍內(nèi)，對電磁輻射法和鉆屑法監(jiān)測確定的一般沖擊危險區(qū)域，采取鉆孔卸壓進(jìn)行解危；對監(jiān)測確定的特別危險區(qū)域或鉆孔卸壓達(dá)不到解危效果的區(qū)域，采取爆破卸壓進(jìn)行解危。

1）煤層預(yù)注水卸壓。采掘工作前，對煤層進(jìn)行長時壓力注水；一般是在已掘好的回采巷道內(nèi)或臨近的巷道內(nèi)進(jìn)行。目的是通過壓力水的物理化學(xué)作用，改變煤的物理力學(xué)性質(zhì)，降低煤層沖擊傾向和應(yīng)力狀態(tài)。煤層預(yù)注水是-種積極主動性防范措施，不僅能消除或減緩沖擊地壓威脅，而且起到消塵、降溫、改善勞動條件的作用。①試驗研究表明：煤塊試樣浸水隨煤體含水率增加，孔隙率和泊松比增大，但其強度和彈性模量降低；并在一定時間內(nèi)，隨浸水時間的延長而加劇。對不同煤層煤樣的抗壓強度及沖擊傾向性應(yīng)進(jìn)行實驗室試驗，以確定隨含水率和浸水時間的增加而降低的效果，以便決定是否采用該項措施。②一般可在已掘好的回采巷道內(nèi)或臨近的巷道內(nèi)進(jìn)行。注水孔直徑一般為45～90 mm，長度一般為20～100 m，一般按待注水煤體尺寸減15 m計算，或按待注水煤體尺寸的2/3確定。實行煤層卸壓注水時，應(yīng)保證保護(hù)帶的寬度，對巷道兩幫和采掘工作面大于3.5倍采高加預(yù)定推進(jìn)度。

圖4 某煤樣注水前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2）鉆孔卸壓。利用鉆孔方法消除或減緩沖擊地壓危險。此法基于施工鉆屑法鉆孔時產(chǎn)生的鉆孔沖擊現(xiàn)象，鉆進(jìn)愈接近高應(yīng)力帶，由于煤體積聚能量愈多，鉆孔沖擊頻度越高，強度也越大。盡管鉆孔直徑不大，但鉆孔沖擊時煤粉量顯著增多，因此每一個鉆孔周圍形成一定的破碎區(qū)，當(dāng)這些破碎區(qū)互相連通后，便能使煤層破裂卸壓。煤層支撐壓力峰值、鉆孔的破裂、卸壓作用，見圖5。卸壓鉆孔孔深15 m，鉆孔直徑大于110 mm，對于所劃定的危險區(qū)域，按照一般危險區(qū)內(nèi)孔間距5 m，中度危險區(qū)內(nèi)孔間距3m，單孔布置，超前鉆設(shè)。對于監(jiān)測出沖擊地壓危險區(qū)域，按照孔間距3 m布置卸壓孔；監(jiān)測出沖擊地壓危險時，應(yīng)立即施工解危。

圖5 鉆孔的卸壓作用

3）爆破卸壓。對于西翼工作面，實施爆破卸壓前須先進(jìn)行鉆屑法等檢測，確認(rèn)有嚴(yán)重沖擊危險或用鉆孔卸壓達(dá)不到解危效果時進(jìn)行爆破卸壓；爆破后還要用鉆屑法等檢查卸壓效果。若在實施范圍內(nèi)仍有高應(yīng)力存在，則應(yīng)進(jìn)行第二次爆破，直到解除沖擊危險為止。爆破孔布置應(yīng)按具體條件確定。爆破孔的孔深取決于卸壓深度，一般等于或大于整個應(yīng)力集中區(qū)的寬度。卸壓爆破示意圖，見圖6。①施工方法：炮眼采用FIV型氣動手持式鉆機或用ZQSJ-90/2.4A型氣動手持式鉆機、麻花鉆桿配合φ42mm鉆頭施工，炮眼距底板1.5 m左右，炮眼角度平行于底板、垂直于煤幫。爆破采用MFB-200型發(fā)爆器起爆，打1孔、裝1孔、放1孔。②爆破參數(shù)：爆破孔直徑42mm；爆破孔深度15m；裝藥量及裝藥方式，每孔裝藥長度一般6～8 m；起爆方法，用MFB-200型發(fā)爆器起爆，每次爆破一個孔；裝藥、放炮、警戒等，嚴(yán)格執(zhí)行作業(yè)規(guī)程有關(guān)規(guī)定。

圖6 卸壓爆破示意圖

5 結(jié)束語

西翼采區(qū)采動應(yīng)力對“發(fā)生沖擊地壓”事件的隸屬度0.75，沖擊地壓發(fā)生的可能性指數(shù)0.875。解危措施：首先對超前工作面80 m范圍內(nèi)的煤體進(jìn)行注水，改變煤的物理力學(xué)性質(zhì)，降低煤層沖擊傾向和應(yīng)力狀態(tài)；其次在正常監(jiān)測范圍內(nèi)，對電磁輻射法和鉆屑法監(jiān)測確定的一般沖擊危險區(qū)域，采取鉆孔卸壓進(jìn)行解危；對監(jiān)測確定的特別危險區(qū)域或鉆孔卸壓達(dá)不到解危效果的區(qū)域，采取爆破卸壓進(jìn)行解危，以防止沖擊地壓發(fā)生的可能性。

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