龍家堡礦409工作面沖擊地壓危險區劃分及防治

高文利

（遼源礦業（集團）有限責任公司，吉林 遼源136201）

隨著開采深度的增加，龍家堡煤礦面臨深部開采的沖擊地壓災害治理難題，尤其是受到采深、巨厚礫巖、逆沖斷層、煤巖固有沖擊傾向性等地質因素的影響〔1〕，沖擊地壓危害日益突出。特別是隨著409工作面回采臨近結束線，受工作面超前支承壓力、巷道側向支承壓力以及三條下山之間應力集中的影響，409工作面剩余部分應力集中程度越來越高。加上回采擾動，工作面發生沖擊危險可能性很大。因此必須采取沖擊地壓防治措施以保證工作面安全生產。

1 工作面概況

409工作面位于－880m水平東翼一采區，走向長1250m，傾向長155.5m，地表標高200～205m，井下標高－714m～－745m。所采煤層為Ⅱ煤。煤層走向13°～60°，傾角8°～24°（平均16°）。煤層厚8.45～17.45m（平均11.5m），含2～4層夾矸；夾石厚0.2～0.5m（局部1.5 m），巖性為泥巖和粗砂巖，泥巖遇水易泥化。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

本區地質條件較為復雜，斷層構造使工作面巷道發生沖擊礦壓的危險性大大增加。根據工作面巷道及開切眼實際揭露，對回采影響較大、具有誘發沖擊礦壓危險的斷層有S4、S5和集中膠帶運輸巷的F12。

2 危險區域劃分

由于409工作面埋深900～950m，埋深大，地應力高；受306、307、410工作面采空區、下山煤柱區域眾多巷道及硐室的影響，工作面開采區域采動應力集中程度很高；加上F12、S4、S5斷層構造，開采區域面臨沖擊礦壓危險；而且隨著409工作面的推進，其沖擊危險性還將逐漸增加。

根據頂板“O－X”破斷與見方失穩理論，在工作面推進過程中存在數個沖擊來壓危險區域〔2－3〕。409工作面開采前方和側向300m影響范圍內，這幾個危險區域內采掘巷道作為沖擊地壓監測的重點加強監測，確定危險區域。

根據沖擊礦壓發生的危險等級不同，將危險區域劃分為一般危險區域、中等沖擊礦壓危險區域和強沖擊礦壓危險區域。根據監測結果，對409工作面回采結束階段周圍300m范圍內的危險區域進行了劃分（見圖1）。其中，橢圓區域Ⅰ為強沖擊地壓危險區域，橢圓區域Ⅱ為中等沖擊地壓危險區域。具體危險區域包括：409入風（回風）順槽、409轉載皮帶道至411入風順槽口門100m及411入風卡軌車硐室、408入風順槽至邊界道、－880m避難硐室及－880m回風石門至回風順槽200m范圍。

圖1 危險區域劃分示意

3 沖擊礦壓危險區域防治技術

目前，龍家堡礦防治沖擊地壓的技術措施主要有大直徑鉆孔卸壓、鉆孔爆破卸壓、煤層注水等〔4－7〕，結合微震監測、煤體應力監測、電磁輻射監測等手段對井下沖擊危險區域進行監控，檢驗防沖措施的實施效果。

3.1 大直徑鉆孔卸壓

圖2 大直徑鉆孔卸壓機理

大直徑鉆孔卸壓是防治煤層沖擊礦壓的有效措施〔7〕，其基本原理見圖2。在巷道周圍的煤壁內施工大孔徑鉆孔，可以改變鉆孔周邊的煤巖體結構，煤體由彈性狀態轉為塑性狀態直至失穩破壞，形成破碎區。由于鉆孔施工后，巷道兩幫煤體內的煤屑被帶出來，造成該處煤體對上覆巖層的支撐能力減弱，在頂板圍巖呈整體剛性的前提下，促使煤體支承應力峰值位置沿水平方向遠離巷道的煤體深部轉移，從而使巷道周邊圍巖處于相對的低應力區，大大降低了巷道的沖擊危險性。

在409運輸順槽超前支護20m往外上幫布置大直徑卸壓鉆孔，409回風順槽超前支護20m往外上、下幫同時布置大直徑卸壓鉆孔。409運輸順槽和回風順槽各配備一臺KHYD－155或ZQJ／300－6型煤礦用巖石電鉆鉆孔，配Φ130鉆頭。鉆孔參數見表2。

表2 大直徑卸壓鉆孔布置參數

3.2 爆破卸壓

對于沖擊地壓防治的重點巷道及相關區域，通過采取卸壓爆破的方法使巷道兩幫（或底板）煤巖體中形成破碎帶，卸除部分煤巖體的地應力，形成高應力區中的相對低應力降低區，增加能量釋放、減小能量集聚，從而降低沖擊礦壓發生的可能性。針對中等危險區域（橢圓區域Ⅱ）開展底板卸壓爆破，針對強危險區域（橢圓區域Ⅰ）開展煤幫卸壓爆破工作。

3.2.1 煤壁卸壓鉆孔參數。強危險區域開展煤幫卸壓爆破工作：409入風（回風）巷道以爆破卸壓為主，以卸壓鉆為輔進行沖擊礦壓防治。煤壁卸壓爆破鉆孔參數見表3。

表3 煤壁卸壓爆破鉆孔布置參數

煤壁卸壓爆破鉆孔布置見圖3。

圖3 煤壁卸壓鉆孔布置示意

3.2.2 底板卸壓爆破鉆孔參數。中等危險區域開展底板卸壓爆破：408入風巷道及邊界道、409轉載膠帶巷道、－880m回風石門及411回風巷道200m范圍采取底板爆破卸壓。底板卸壓爆破鉆孔深度預設為5m，以進入底板巖石確定最佳終孔位置。底煤厚處可適當增加鉆孔深度，鉆孔深度小于2m的嚴禁裝藥。炮孔角度垂直于底板，孔徑45mm，間距2m，封孔長度不低于1.5m，其余部分裝藥。底板卸壓爆破鉆孔參數見表4。

表4 底板卸壓爆破鉆孔布置參數

底板卸壓爆破鉆孔布置見圖4。

3.3 煤層注水

研究表明，煤層注水可有效減弱甚至消除沖擊地壓危險〔6〕。煤層注水可以提高煤層含水率，從而改變煤巖物理、力學形態，使其受壓變形形態及過程發生趨于塑性的變化，提高其發生失穩破壞的應力閾值，降低沖擊地壓發生概率。煤巖層的單向抗壓強度隨著其含水量的增加而降低〔8〕，其公式見式（1）。

式中：w0為強度最大時的含水量；a，b，c為系數。

圖4 底板卸壓鉆孔布置示意

根據龍家堡礦實際情況，考慮鉆孔排渣、鉆進速度、注水方法、鉆進塌孔、封孔等因素，鉆孔直徑取Φ75mm，鉆孔深度40m，鉆孔間距5m。

（1）鉆孔布置。409運輸順槽上幫、回風順槽下幫間隔5m打一組注水鉆，每組一鉆，連續推進。運輸順槽距底板1.5m、回風順槽距底板1.2m起鉆。

（2）注水方法。前期可注靜壓水至2.5MPa，之后接注水泵加壓注水至8～12MPa，加壓后注水時間可縮短1／2，注水濕潤半徑可達到10m。單孔注水量106.5m3，注水速率0.3m3／h。

（3）注水設備。采用ZDY1900S煤礦用液壓坑道鉆機鉆注水孔，7BZ4.5／16型脈沖式煤層注水泵供壓，專用煤層注水封孔泵封孔。

3.4 效果檢驗

沖擊地壓防治措施實施后，必須進行防沖效果檢驗，保證沖擊指標降到安全范圍內。以微震信號為例，采取綜合防治措施之前，全礦區微震事件為28次／d，107J以上高能微震事件0.33次／d；采取綜合防治措施之后，全礦區微震事件雖然達到62次／d，但107J以上高能事件降低到0.13次／d。總體上來說，微震事件頻次增多而微震能量減小。2014年龍家堡礦全年未發生一起沖擊地壓事故。

4 結語

1）根據龍家堡409工作面條件，采取頂板壓力監控、微震數據分析、YDD16電磁輻射儀檢測等相應的沖擊礦壓監測手段確定危險區域。

2）409工作面具體危險區域：409入風（回風）順槽、409轉載皮帶道至411入風順槽口門100m及411入風卡軌車硐室、408入風順槽至邊界道、－880避難硐室及－880回風石門至411回風順槽200m范圍。

3）針對強危險區域開展煤幫卸壓爆破工作，針對中等危險區域開展底板卸壓爆破，有效防治了沖擊礦壓。

〔1〕于先富.龍家堡煤礦沖擊地壓測控技術研究〔D〕.阜新：遼寧工程技術大學，2008.

〔2〕呂玉磊，劉 軍，魏向志，等.常村煤礦21150綜放工作面沖擊地壓綜合防治技術〔J〕.中州煤炭，2015，（4）：71－74.

〔3〕潘俊鋒，秦子晗，夏永學，等.沖擊地壓危險性預評價與實踐〔J〕.煤炭工程，2011，（10）：83－86.

〔4〕徐厚學.江合煤礦煤巖層沖擊地壓危險性與防治技術研究〔D〕.重慶：重慶大學，2010.

〔5〕牟宗龍，曲延倫.深部工作面沖擊礦壓危險分析及防治〔J〕.中國煤炭，2013，（12）：100－103.

〔6〕薛偉超.巖石水力致裂的孔隙壓力（梯度）作用機制研究〔D〕.徐州：中國礦業大學，2014.

〔7〕劉少虹.動載沖擊地壓機理分析與防治實踐〔D〕.北京：煤炭科學研究總院，2014.

〔8〕李剛鋒.平煤股份四礦沖擊危險性區域劃分及防治技術研究〔D〕.焦作：河南理工大學，2011.