掘進工作面沖擊地壓的防治研究

王 翔

（大同煤礦集團宏泰礦山工程建設有限責任公司，山西 大同 037003）

大同煤礦集團燕子山礦是一座設計能力為4Mt/a的特大型現代化礦井，井田走向長8.8km，傾斜寬6.6km，面積58km2。燕子山礦在開采過程中，沖擊地壓事故頻繁發生，導致了嚴重的人員傷亡和財產損失，因此該礦對掘進工作面沖擊地壓的防治工作非常重視。同煤集團公司安排宏泰礦山工程建設公司對燕子山礦8200工作面沖擊地壓的防治工作進行實踐研究。

1 工作面概況及沖擊危險性分析

燕子山礦8200工作面位于十采區東北部，與8202工作面相鄰。8200下順槽沿8202采空區相隔4.50m的煤柱沿空掘進。該面地面標高50.52～57.06m，平均 54.52m。工作面標高 -410～-580m，平均-495m。由8200工作面概況可知，隨著工作面的回采，將形成“C”型覆巖空間結構，如圖1所示。

從圖1可以看到，基本頂上方3個采空區巖層組合在一起構造成為“C”型結構，造成了超前支承壓力影響距離增大2.52～3倍左右。隨著工作面回采的推進，“C”型結構在以下三個推進階段因大面積運動會誘發沖擊地壓的危險。第一，基本頂初次來壓階段。通過與同煤集團同類型工作面對比，該工作面基本頂來壓步距為50～65m，破裂的巖層高度為煤層上方30～40m。斷裂過程會有應力的集中和突變，從而容易誘發沖擊地壓危險。第二，工作面采空區見方階段。當工作面推進至130～150m時巖層破裂高度達70～80m，斷裂過程也會有應力的集中和突變，應力峰值將達到80～90MPa，容易發生沖擊地壓危險。第三，正常推進、基本頂周期來壓階段。該階段應力峰值將達到60～80MPa，容易誘發沖擊地壓危險。

根據沖擊地壓發生可能性評價指標，在該工作面中間巷區域的相關U值為0.966，基本判定該區域有發生沖擊地壓的基本條件，當有斷層、巖層強烈的斷裂活動時就容易誘發沖擊地壓危險。

2 工作面回采前卸壓措施研究

通過分析，8200工作面具備了發生沖擊地壓的條件，且與8200工作面條件相似的8204工作面已有沖擊地壓危害發生。因此決定通過深孔爆破斷頂和打大直徑卸壓孔對8200工作面進行提前卸壓。

2.1 深孔爆破斷頂卸壓

2015年12月6 日至2016年4月13日之間在工作面上平巷下幫、上副巷下幫內對煤柱區和上平巷進行了深孔爆破卸壓，針對燕子山礦8200工作面的實際情況，確定該工作面深孔爆破卸壓的實施方案。炮孔直徑：65mm。炮孔間距：炮孔水平間距2500mm。炮孔深度：設計煤層孔深30m可以達到最佳爆破效果。封孔長度：根據對封孔長度的研究，取孔深的30%作為封孔長度。該工作面上平巷頂板、煤層、底板孔深為40m、30m、30m，封孔長度分別為12m、9m、9m。采用“局部并聯，總體串聯”的連線方式進行。爆破使用MFB-200型起爆器，炸藥采用硝銨炸藥，導爆索引爆。為防止鉆孔爆破給工作面回采帶來安全隱患，煤層孔未裝藥爆破，頂底板鉆孔裝藥量為20 kg/孔，每次同時引爆4～5鉆孔。

2.2 大直徑卸壓鉆孔卸壓

各順槽兩幫打大直徑卸壓鉆孔（直徑大于100mm），每1～10m布置一個鉆孔，孔口距底板0.5～1.5m，平行于頂板，孔深9m。工作面回到最小控頂距，沿工作面煤壁每10～30m布置一個大直徑卸壓鉆孔，孔口距底板0.5m左右，考慮到該工作面為薄煤層，因此大直徑卸壓鉆孔平行于煤層頂底板。對上順槽全部實施頂板、煤層、底板鉆孔卸壓工作，并將卸壓范圍控制超前壓力影響范圍150m外。鉆孔布置在上順槽下幫，孔間距1.6m，每組三個孔，頂板孔為仰角，孔深30m，煤層孔為俯視，孔深25m，底板孔為俯視，孔深30m。

在深部卸壓孔附近打小孔進行觀察，在8～10m時鉆入困難或動力現象非常強烈，表明還需要繼續在大直徑卸壓孔內進行深孔爆破卸壓措施。

3 沖擊地壓危險的監測體系

針對燕子山礦8200工作面沖擊地壓的危險情況，建立了以鉆屑法和鉆孔應力計為主的監測體系，同時還輔助礦壓觀測法和巷道變形位移測量法來保障檢測體系的完整性。

3.1 鉆孔應力計的監測

8200工作面采用煤炭科學研究總院生產的多點鉆孔應力測試系統，該工作面布置三個測區，在距離開切眼55m、150m和250m處分別布置鉆孔應力，布置深度5m、10m、15m、20m、25m，鉆孔間距1.5m，具體位置可見圖2。通過檢測數據來作為評價沖擊危險性及卸壓效果的依據。

圖2 工作面鉆孔應力計布置示意圖

3.2 鉆屑法的監測

鉆屑孔布置：8200工作面兩巷，主要布置在支承壓力影響范圍以內，其中回風平巷3個鉆孔，下幫2個，上幫1個；進風平巷4個鉆孔，上幫3個，下幫1個。實際施工時，為避免端頭部分的大型生產設備對施工造成不便，鉆孔位置可適當遠離工作面，但同時為獲取高應力區域內的有效數據，最終位置不應超過支承壓力影響范圍。鉆孔分布示意圖如圖3所示。

圖3 鉆屑孔布置示意圖

鉆屑孔參數設計：直徑42mm，孔深10m，孔距底板1～1.5m，單排布置，鉆孔方向平行于煤層。監測內容：主要監測鉆孔5～10m范圍內每米鉆孔的鉆屑量，記錄了卡鉆、吸鉆、孔內沖擊等情況。施工方法：采用MK-15型煤電鉆和ZQS-65/2.5手持式氣動鉆機進行施工，采用插接式高效螺旋鉆桿，每節長1m，Φ42mm鉆頭，鉆孔深度10m。

4 沖擊礦壓防治的效果

通過工作面初次來壓階段的鉆孔應力計和鉆屑量的監測數據來對沖擊地壓防治效果進行分析。該工作面2016年1月18日回采到1月26日鉆孔應力計測量數據顯示，隨著深度從10m、15m到20m的遞增，應力計測量數據逐漸地減小，在深度為20m處的應力計測量數據減小非常明顯。1月18日期間在20m處的鉆孔應力為最大值，后期隨著工作面的回采檢測數據逐漸變小，所以當工作面推采到1月18日時，鉆孔應力計距工作面為19m左右，即走向的峰值位于工作面前方19m左右，而此時的應力值達到26MPa左右。根據經驗和工程類比，可以推定該工作面在基本頂初次來壓階段，斷裂之前及斷裂過程會有應力集中和突變現象發生，引發工作面的沖擊地壓危害，此時瞬間應力峰值將可達50～60MPa，沖擊地壓防治措施實施后鉆孔應力計檢測峰值為26MPa，對于50～60MPa應力峰值降低一半。監測數據表明通過深孔爆破斷頂和打大直徑卸壓孔的沖擊地壓防治措施對于該工作面的防治效果明顯，能有效地保障該工作面的開采安全。

同時從上、下順槽鉆屑量來看，在初次來壓范圍內的鉆屑量都比較小，表明提前預卸壓措施較好，達到了設想的效果。

5 結論

本文針對同煤集團燕子山礦8200工作面沖擊地壓的防治設計了深孔爆破斷頂卸壓和大直徑卸壓鉆孔卸壓方案，同時設計了相應的沖擊地壓危險的監測體系。通過對燕子山礦8200工作面的初次來壓和工作面見方階段進行監測預報，監測預報的結果都是安全的，尤其是在工作面見方階段，鉆孔應力監測數據和鉆屑量數值都較低，處于臨界值以內。數據監測表明該沖擊地壓防治措施效果非常好。有效地保障了8200工作面工作面的安全開采。