胡家河礦401102綜放工作面超前卸壓效果評價

王耀樓　田曉兵　胡沛

摘要：彬長胡家河礦是關中地區(qū)首個出現(xiàn)強動力災害的礦井。文章研究了厚煤層綜放開采沖擊礦壓防治技術，通過分析胡家河礦401102工作面礦壓顯現(xiàn)的特征，對其采取的頂板預裂爆破、幫部大孔徑卸壓和爆破卸壓、底板大孔徑卸壓等解危措施進行效果評價，結合數(shù)值模擬研究得出超前解危措施的有效性，為礦井沖擊礦壓治理提供了實踐經(jīng)驗。

關鍵詞：綜放工作面；集中應力；超前卸壓；預裂爆破；強動力災害 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD323 文章編號：1009-2374（2016）09-0155-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.076

1 礦井及工作面概況

胡家河礦地處陜北黃土高原與隴東黃土高原結合的塬梁溝壑區(qū)，隸屬于陜煤彬長礦業(yè)集團，于2008年開工建設，2012年建成投產(chǎn)，設計生產(chǎn)能力500wt/a。主采煤層4#煤，煤層厚度為0.6～27.18m，一般為10～15m，開采深度約為640m，為深埋特厚煤層。該礦是陜西關中地區(qū)首個出現(xiàn)強動力災害的礦井。401102工作面為胡家河礦首采工作面，煤層平均厚度為23m，傾角為3°～5°，采用分層綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。401102工作面傾向長度為180m，走向長度為1496m，回采主要巷道均布置在煤層中，采用多巷布置，即運輸巷、回風巷、泄水巷、高抽巷，形成“一面四巷”的開采布置方式。工作面開采煤層厚度為13m，割煤為3.5m，放煤為10m，采放比為1∶2.8。

2 回采期間礦壓顯現(xiàn)特征

2.1 礦壓顯現(xiàn)特征

401102工作面按3.2m/天勻速回采，回采至約210m時，工作面回風巷、泄水巷出現(xiàn)了強烈的動力顯現(xiàn)，“煤炮”頻繁，巷道頂板下沉、斷面收縮、底鼓、錨索破斷、巷道支護結構嚴重破壞。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，頂板下沉量達750～900mm，底鼓量最大達到700mm。根據(jù)礦壓監(jiān)測結果，工作面回采前200m期間頂板來壓特征及支架工作阻力見表1所示：

表1 胡家河礦401102工作面來壓強度特征

來壓次序 初次

來壓 周期來壓

1 2 3 4 5 6 平均

來壓步距/m 45 32 33 30 28 27 27 30

P老/kN 10900 9987 10098 10795 11975 12198 12576 11218

P平/kN 9120 8196 8190 8278 8356 8409 8598 8450

n 1.20 1.22 1.23 1.30 1.43 1.45 1.46 1.33

注：P老——老頂周期來壓時支護阻力平均值，kN；P平——老頂非周期來壓時支護阻力平均值，kN；n——動載系數(shù)，等于P老與P平之比值。

由表1知，工作面回采前210m期間，頂板周期來壓步距平均為30m，支架動載系數(shù)最大為1.30，相對于放頂煤工作面而言，支架的動載系數(shù)并不大，支架運行平穩(wěn)；自第3次周期來壓之后，頂板來壓步距有所減小，支架工作阻力逐漸增大，最大工作阻力達12576kN，動載系數(shù)明顯增大，最大為1.46，礦壓顯現(xiàn)劇烈。據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實際，第3次周期來壓之后，回順、泄水巷超前200m范圍內(nèi)“煤炮”頻繁，巷道底鼓，超前支護段前頂板最大下沉量達到900mm。

2.2 超前支承壓力分布規(guī)律

采煤工作面超前支承壓力分布規(guī)律是預測及防治沖擊礦壓的主要依據(jù)之一。結合401102工作面地質條件及生產(chǎn)實際，采用FLAC/3D數(shù)值模擬研究超前支承壓力分布規(guī)律。圍巖本構模型采用摩爾-庫倫模型，回采期間圍巖應力分布見圖1所示：

圖1 401102工作面回采期間圍巖應力分布圖

通過數(shù)值模擬可知，回順側超前支承壓力集中系數(shù)最大約為1.8，壓力峰值距工作面煤壁約為10m，其影響范圍為70m左右。

3 沖擊地壓治理解危措施

3.1 頂板預裂爆破

巷道頂板預裂爆破可以減少頂板對支架和煤體的壓力，即將煤層頂板破斷，從而降低巖體強度，釋放頂板因壓力而聚集的能量，減小頂板在變形過程中對煤層和支架的沖擊振動。施工技術方案為：在回順超前架前泄水巷側實施頂板深孔預裂爆破卸壓，孔徑為75mm，每5m布置一個鉆孔，方位角為270°，孔深為45m，單排布置，與水平方向成75°夾角，每孔裝藥為40kg，裝藥長度為17m，正向裝藥，全部封孔，孔間距為5m，施工示意圖見圖2所示：

圖2 頂板預裂爆破鉆孔施工示意圖

3.2 幫部卸壓措施

幫部卸壓可最大限度地釋放積聚在幫部煤體中的彈性能，在巷道幫部形成破壞區(qū)，使壓力升高區(qū)向煤體深部轉移。施工技術方案：從超前工作面60m開始在回風巷兩幫實施大孔徑卸壓，進一步降低煤體應力集中程度，轉移應力峰值，降低靜載力源。幫部大孔徑卸壓鉆孔長度為10m，孔徑為113mm，鉆孔傾角為-60°，方位角為90°、270°，封孔長度為3m，孔間距為1.4m。幫部爆破卸壓鉆孔長度為10m，垂直巷幫，孔徑為42mm，裝藥量3kg，封孔長度為5m，孔間距為5m。

3.3 底板卸壓措施

底板采用大孔徑卸壓措施，施工技術方案：從401102工作面回順超前架前施工大孔徑卸壓鉆孔，卸壓方位角為90°和270°，卸壓孔孔徑為113mm，孔深為10m，封孔深度為3m，孔間距為1.4m，施工示意見圖3所示：

圖3 底板卸壓孔施工示意圖

4 解危措施效果評價

401102工作面回順采取了頂板預裂爆破卸壓、幫部大孔徑及爆破卸壓、底板大孔徑卸壓措施后，繼續(xù)按3.2m/天勻速回采，在此過程中共監(jiān)測6次周期來壓。

由上分析可知，在401102工作面采取爆破及大孔徑卸壓措施后，頂板周期來壓步距減小，一般為22～26m，平均為23.5m，來壓期間支架最大工作阻力減小，平均為11568kN，支架的平均工作阻力有所上升，為9558kN，動載系數(shù)平均為1.22，支架運行相對平穩(wěn)，礦壓顯現(xiàn)有所緩和。通過數(shù)值模擬研究對采取卸壓措施后工作面回采過程中的超前支承壓力進行分析得出：工作面超前支承壓力峰值減小，應力集中系數(shù)最大為1.38，峰值點前移至超前煤壁14m，影響范圍擴大至超前工作面100m范圍內(nèi)。卸壓后圍巖應力分布圖見圖4所示：

圖4 卸壓后圍巖應力分布云圖

綜合以上分析：頂板預裂爆破卸壓之后，作為承載上覆巖層應力關鍵層的老頂極限破斷跨距有所減小，這是頂板周期來壓步距減小的主要原因。隨著工作面的回采，圍巖應力不斷向煤體深部轉移，因卸壓措施卸壓造成的破壞使煤體應力釋放、轉移，其集中程度明顯降低，從而使支架的動載系數(shù)減弱，支架運行較卸壓之前平穩(wěn)。超前支承壓力峰值降低，前移至超前工作面13～16m，其影響范圍擴大，主要影響區(qū)域分布在煤壁超前8～60m，影響范圍擴大至超前工作面120m范圍內(nèi)。

從現(xiàn)場實際來看，直接頂懸頂距離減小，一般為6～12m，直接頂呈現(xiàn)規(guī)律性垮落。老頂周期來壓步距為22～26m，平均為23.5m，周期來壓期間“煤炮”頻次減少，礦壓顯現(xiàn)有所緩和，卸壓效果比較明顯。

5 結語

胡家河礦401102工作面頂板預裂爆破、幫部打孔徑及爆破及底板大孔徑卸壓等解危措施，效果明顯，基本達到了沖擊地壓治理的目的。

（1）胡家河礦401102工作面煤層具有強沖擊傾向，其主要因素是煤巖體應力集中使煤層頂板巖層突然破斷和發(fā)生位移而引發(fā)的；（2）頂板預裂爆破釋放了煤層上覆巖層集中應力，降低了頂板巖體強度，減小了頂板破斷和移動時對煤體的沖擊振動。相對于卸壓之前，頂板周期來壓步距減小，支架動載系數(shù)減小，支架運行平穩(wěn)，超前支承壓力向煤體深部轉移，峰值降低，但影響范圍擴大，建議401102工作面在回采期間需加強超前100m范圍巷道頂板及幫部支護，以免在卸壓過程中誘發(fā)沖擊地壓造成巷道破壞及人員傷亡；（3）在巷道幫部實施大孔徑卸壓和爆破卸壓進一步釋放了煤體內(nèi)部的彈性能，在巷道幫部煤體內(nèi)形成破壞區(qū)，使應力升高區(qū)轉向煤體深部，但幫部卸壓措施在降低煤體強度，形成煤體破碎區(qū)的同時也可能誘發(fā)沖擊礦壓的危險，造成突發(fā)性片幫或冒頂，建議幫部卸壓需在超前工作面150～200m施工，并加強超前支護，采取“強卸強支”；（4）在巷道底板實施大孔徑卸壓措施破壞了巷道底板的完整性，并釋放巷道底板積聚的能量，基本消除了應力升高區(qū)，底鼓現(xiàn)象基本消除。

參考文獻

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作者簡介：王耀樓（1963-），男，陜西韓城人，陜煤彬長胡家河礦業(yè)有限公司安全監(jiān)督管理部采礦工程師，研究方向：煤礦安全管理。

（責任編輯：秦遜玉）