唐口煤業(yè)首個防沖體系的構(gòu)建及預控

（山東能源淄礦集團唐口煤業(yè)，山東 濟寧 272000）

唐口煤業(yè)首個防沖體系的構(gòu)建及預控

呂寶峰

（山東能源淄礦集團唐口煤業(yè)，山東 濟寧 272000）

沖擊地壓是礦山井巷或采場周圍煤體與圍巖由于釋放變形能而產(chǎn)生的以突然、急劇而猛烈的破壞為特征的動力現(xiàn)象。構(gòu)建責任、監(jiān)測、卸壓為一體的防沖體系，探索出礦井發(fā)生沖擊地壓一般規(guī)律，及時運用微震、電磁輻射等方法監(jiān)測礦井沖擊危險，采取煤層注水、卸壓爆破、大直徑鉆孔卸壓等方法進行卸壓，釋放能量，消除沖擊危險，為礦井的安全生產(chǎn)提供了可靠保障。

沖擊地壓；構(gòu)建體系；一般規(guī)律；可靠保障

引言

唐口煤業(yè)公司是淄礦集團濟北礦區(qū)年生產(chǎn)能力最大的一對現(xiàn)代化礦井，年設計能力300萬噸，核定生產(chǎn)能力500萬噸，開采最深的工作面為-1300m。礦井不但具備水、火、瓦斯、煤塵、高地壓五大自然災害，同時經(jīng)煤炭科學研究總院北京開采所做的沖擊傾向性鑒定結(jié)果，該公司3上煤層為具有強沖擊傾向性的煤層，3上煤層頂板、底板屬于2類，為具有弱沖擊傾向性的巖層，一但力源條件滿足，并受擾動影響，便可能導致工作面發(fā)生沖擊地壓災害。

一般情況下，礦井工作面煤層及頂?shù)装濉㈤_采深度、斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造、工作面頂?shù)装鍡l件穩(wěn)定、煤層厚度及傾角變化、放炮等因素極易誘發(fā)沖擊地壓現(xiàn)象。當開采深度達到800m以上時，沖擊危險性接近最大值。當工作面在斷層、褶曲等構(gòu)造附近回采作業(yè)時，構(gòu)造應力釋放并作用在煤體上，造成煤體應力集中，加之綜采產(chǎn)生的擾動影響，易導致巷道圍巖失穩(wěn)。當堅硬頂?shù)装迤扑榛蚧七^程中突然釋放大量彈性能，導致頂板發(fā)生沖擊。當煤層厚度突然變薄或變厚處，煤層厚度變化越劇烈，應力集中的程度越高，沖擊地壓危險性越高。當放炮震動時，能使煤層中的應力迅速重新分布而增加局部煤體應力，進入極限平衡狀態(tài)，同時，能迅速解除煤壁邊緣側(cè)向約束力，使受力狀況發(fā)生改變，由三向受力向兩向受力轉(zhuǎn)化，使其抗壓強度下降，導致迅速破壞。因此，建立完善合理的礦井防沖體系是礦井安全高效生產(chǎn)的基本保證。

1 礦井沖擊地壓防治體系構(gòu)建的必要性

沖擊地壓是礦山井巷或采場周圍煤體與圍巖由于釋放變形能而產(chǎn)生的以突然、急劇而猛烈的破壞為特征的動力現(xiàn)象。它往往造成慘重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失，是礦井安全生產(chǎn)的重大災害之一。通過以往的礦井沖擊地壓事故看，特厚堅硬頂板條件下，地應力和采動應力影響增大、極易誘發(fā)沖擊地壓；生斷層交匯點附近受地震影響，釋放出大量能量也會引發(fā)沖擊；堅硬的巨厚砂巖頂板受地震影響，在破斷離層時釋放出大量能量，也會引發(fā)礦震。其中最主要的原因都是因為沖擊地壓防治機構(gòu)不健全，有的礦井沒有采取任何的沖擊地壓防治措施造成的，沖擊地壓防治體系的構(gòu)建是有效防止沖擊地壓發(fā)生的一個必要條件。

2 防沖體系的構(gòu)建

2.1 責任體系構(gòu)建

2.1.1 設立防沖機構(gòu)。組建了防治沖擊地壓辦公室，任命了負責防沖專業(yè)技術(shù)的專職防沖副總工程師，配置了專職工作人員，組建了105人專業(yè)防沖隊伍。

2.1.2 健全防沖制度。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》有關(guān)沖擊地壓煤層開采規(guī)定，先后下發(fā)了《唐口煤業(yè)防治沖擊地壓管理規(guī)定（暫行）》、《唐口煤業(yè)公司沖擊地壓防治實施細則（暫行）》、《沖擊地壓防治綜合管理制度》，進一步規(guī)范了礦井沖擊地壓的防治工作，做到了有章可循，為防沖擊地壓各項措施的落實，奠定了制度保障。

2.1.3 建立防沖安全生產(chǎn)責任制。健全完善了沖擊地壓防治責任體系，形成了公司、防沖辦、防沖隊“三級責任追究考核體系”，同時明確了防沖擊地壓體系內(nèi)的22個崗位工種的防沖安全生產(chǎn)責任。

2.2 監(jiān)測體系的構(gòu)建

2.2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)

唐口礦井巷道變形較為嚴重，壓力顯現(xiàn)較為強烈，具有潛在的沖擊危險性，為監(jiān)測礦井采掘過程中的煤巖體震動事件，消除或減弱沖擊地壓發(fā)生帶來的危害。利用波蘭ARAMISM/E微震監(jiān)測系統(tǒng)進行沖擊礦壓災害監(jiān)測預報。

圖1

圖2

從沖擊地壓與巖體震動的關(guān)系來看，發(fā)生沖擊地壓的最低能量為1×103J，大部分是從1×105J開始的，在能量級別為1×106J時，發(fā)生的沖擊地壓最多。但并不是每一個能量級別在1×109J的震動都有沖擊地壓發(fā)生。

微震監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是對全礦范圍進行微震監(jiān)測，是一種區(qū)域性監(jiān)測方法。自動記錄微震活動、實時進行震源定位和微震能量計算，為評價全礦范圍內(nèi)的沖擊地壓的危險性提供依據(jù)。其原理是：利用拾震儀站接收到的直接P波起始點的時間差，在特定條件下的波速場條件下進行二維或三維定位，以判斷破壞點；同時利用震相持續(xù)時間計算所釋放的能量和震級，并標入采掘工程圖并速報顯示給生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，以便及時采取措施。

構(gòu)建了四處ARP2000地面監(jiān)測分站，形成井上下聯(lián)合監(jiān)測網(wǎng)絡，有效提高監(jiān)測精度，為沖擊地壓的防治提供有力的預測手段。

若微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到以下情況時，預測工作面具有沖擊危險性，應采取相應卸壓解危措施。

（1）工作面內(nèi)2小時發(fā)生3次及以上能量大于1.0×104J的微震事件。

（2）工作面內(nèi)1小時發(fā)生2次及以上能量大于1.0×105J的微震事件。

（3）工作面內(nèi)發(fā)生1次能量大于1.0×106J的微震事件。

（4）經(jīng)微震監(jiān)測人員對一段時間內(nèi)微震活動發(fā)生頻度及發(fā)生趨勢分析，預測作業(yè)地點可能發(fā)生沖擊地壓。

2.2.2 現(xiàn)場監(jiān)測鉆屑法

有沖擊危險采掘工作面必須采用鉆屑法現(xiàn)場監(jiān)測，鉆屑法采用小直徑鉆頭（一般為42mm），鉆孔深度不小于7m，間距為3～5m（重點區(qū)域需加密）。記錄每米鉆進時的煤粉量，接近或超過臨界指標時，判定為有沖擊危險；記錄鉆進時的動力效應，如聲響、卡鉆、吸鉆、鉆孔沖擊等現(xiàn)象，作為鑒別沖擊危險的參考指標。

鉆屑法檢測沖擊危險的指標及判定方法：

（1）檢測指標由煤粉量、深度和動力效應組成。煤粉量是每米鉆孔長度所排出的煤粉的質(zhì)量，單位為kg；深度是從煤壁至所測煤粉量位置的鉆孔長度，可折算成鉆孔地點實際采高的倍數(shù)，動力效應是鉆孔產(chǎn)生的卡鉆、孔內(nèi)沖擊、煤粉粒度變化等現(xiàn)象。

（2）用鉆粉率指數(shù)方法判別工作地點沖擊地壓危險性的指標，可參照表1的規(guī)定，實際鉆粉率達到相應的指標或出現(xiàn)鉆桿卡死現(xiàn)象，可判定所測工作地點有沖擊地壓危險。

2.2.3 電磁輻射監(jiān)測法

采用便攜式電磁輻射儀對沖擊危險進行監(jiān)測時，每隔10m布置1個測點，每個測點監(jiān)測時間為2分鐘。記錄煤（巖）破壞過程中電磁輻射強度的最大值及脈沖數(shù)，采用靜態(tài)臨界值及動態(tài)趨勢法預測沖擊危險，接近或超過臨界指標時，判定為有沖擊危險；若電磁輻射指標升高較快，或指標較高時突然下降，也判定為有沖擊危險。

2.2.4 應力在線監(jiān)測法

采煤工作面開采期間采用KJ550煤礦沖擊地壓應力在線監(jiān)測系統(tǒng)進行沖擊地壓的臨場預報。根據(jù)回采工作面的特點及構(gòu)造特征，壓力傳感器安裝在軌皮順生產(chǎn)幫，自切眼前方40m開始，每25m一組，每組2個，埋設深度分別為10m、15m，每組兩個測點間距1m。

表1 判別工作地點沖擊地壓危險性的鉆粉率指數(shù)

表2 2310回采工作面初始預警值設置

回采工作面的初始預警值設置見表2。

2.2.5 礦壓在線監(jiān)測法

（1）綜采工作面礦壓監(jiān)測法

①壓力分機布置：綜采工作面每隔8個支架布置一臺壓力分機。通過監(jiān)測工作面內(nèi)支架的工作阻力變化規(guī)律，為評價支架支所效果、支架對該類頂板的適應性以及頂板初次來壓、周期來壓等規(guī)律提供依據(jù)。

②頂板離層儀的布置：采煤工作面軌道順槽每隔100m布置一臺離層傳感器。通過離層傳感器監(jiān)測頂板離層位置、離層速度變化，用于判斷頂板破壞范圍，對巷道穩(wěn)定性進行判斷，對巷道所處的安全等級進行評價。

（2）綜掘工作面頂板離層觀測法

頂板離層儀在全煤掘進巷道在順槽中每隔50m布置一個測點，其深基點保證進入煤層頂板穩(wěn)定巖層中，深度不低于6m，淺基點固定在巷道頂板以上2.4m的巖層中。自安設之日起，15日內(nèi)每天觀測一次，以后每兩天觀測一次，一個月后每3天觀測一次，每個測點觀測日期為2個月，頂板離層大于45mm的測點必須進行分析研究頂板變化情況。

2.3 卸壓體系的構(gòu)建

2.3.1 煤層注水法

通過煤層注水，煤的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、強度下降、變形特性明顯“塑化”，煤體中積聚彈性能的能力下降，以塑性變形方式消耗彈性能的能力增加，煤的沖擊傾向性大為減弱，甚至完全失去沖擊能力。

2.3.2 卸壓爆破法

通過對煤體實施鉆孔爆破，使鉆孔周圍一定區(qū)域的煤巖體產(chǎn)生裂隙，其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，承載能力下降，在一定的范圍內(nèi)形成卸載帶，便于應力和能量的釋放，消除發(fā)生沖擊地壓的應力條件，避免沖擊地壓的發(fā)生。

2.3.3 大直徑鉆孔卸壓法

利用鉆孔方法消除或減緩沖擊地壓危險的解危措施。鉆孔卸壓的實質(zhì)是利用高應力條件下，煤層中積聚的彈性能來破壞鉆孔周圍的煤體，使煤層卸壓、釋放能量，消除沖擊危險。

礦井發(fā)生沖擊地壓一般規(guī)律

（1）多發(fā)生在二、三、四原煤層采煤和掘進工序中發(fā)生前，小沖擊次數(shù)和能量迅速增加，一般持續(xù)2-3天后會出現(xiàn)大沖擊之后，次數(shù)和能量明顯降低。

（2）多發(fā)生在采深600-800m以下。

（3）多發(fā)生在采掘接近采空區(qū)、煤柱、停采線、老巷、煤層分叉、傾角變化等50m左右。

（4）多發(fā)生在采掘接近距斷層及向、背斜軸部30-60m區(qū)域。

（5）多發(fā)生采煤面上下端頭30m，上下平巷150m區(qū)域。

（6）多發(fā)生巷道掘進距迎頭10-50m區(qū)域。

（7）多發(fā)生巷道三岔點、四岔點區(qū)域。

（8）多發(fā)生頂板來壓時，頂板動靜載荷疊加誘發(fā)沖擊波。

結(jié)語

近三年來，通過防沖體系的不斷健全和完善，有效的防止了采掘工作面沖擊地壓事故的發(fā)生，為礦井的安全生產(chǎn)提供了可靠保障。

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