工作面“見方”期間沖擊危險的監測與防治對策研究

劉聚友，賴 敏

（陜西麟北煤業開發有限責任公司，陜西 寶雞 721505）

0 引 言

沖擊地壓是采場和巷道周圍煤巖體積聚的彈性變形能突然釋放而產生的煤巖動力災害[1]。近年來隨著我國煤礦采深的增加和開采強度的增大，沖擊地壓已成為制約煤礦安全高效生產的一種主要災害[2]。這些災害事故造成了人員的傷亡和經濟損失。

近年來，沖擊地壓的監測與防治成為了國內外學者研究的熱點。吳祥彬等[3]采用鉆屑法對巷道圍巖沖擊危險進行監測，取得了較為成功的應用；譚云亮等[4]研究了堅硬頂板條件下沖擊地壓發生機理，并采用應力在線監測系統對工作面沖擊危險性進行監測；張偉[5]采用礦壓監測數據研究了煤層間距較小的采空區下方工作面采用綜合機械化采煤工藝時的礦壓規律；竇林名等[6]提出了沖擊地壓發生的原理為動靜載疊加，并基于該誘發原理討論了震動波主被動CT 反演技術等。

本文采用微震監測、礦壓監測、煤體應力在線監測3 種監測方法對園子溝煤礦1012001 工作面過“見方”區域沖擊危險進行監測，提出了大直徑卸壓鉆孔和高壓水力壓裂相結合的卸壓方案。為回采相似情況工作面監測與防治沖擊地壓提供了經驗。

1 工作面概況

園子溝礦區地形總體為東南方向較高，西北方向偏低。1012001 工作面是園子溝煤礦首采工作面，工作面東部為101 盤區大巷，南部為1012002 工作面，西部為101 盤區邊界，北部為西翼大巷。工作面走向長2 750 m，傾向長200 m，受地面村莊影響設計開采長度為1 600 m，工作面設計五條巷道，分別為高抽巷、1、2 號回風巷、帶式輸送機巷和輔助運輸巷，其中1、2 號回風巷留1.5 m 底煤，帶式輸送機巷和輔助運輸巷留1m 底煤。該工作面所采煤層為2 煤層，平均煤厚11.02 m。頂底板巖性均為泥巖，其中頂板厚2.0 m，底板厚5.0 m。2 煤層及其頂板均具有弱沖擊傾向性，底板無沖擊傾向性。

1012001 工作面布置示意圖如圖1 所示。據三維地震勘探資料顯示，工作面內發育有DF12 和DF26斷層，1 號回風巷側附近區域發育有DF30 斷層，輔助運輸巷側附近區域發育有DF25 斷層。B3 背斜軸部和X2 向斜軸部穿過工作。

結合地質因素和開采技術條件，采用綜合指數法和多因素耦合法對1012001 工作面沖擊危險性評價分級。回采期間1012001 工作面沖擊地壓危險性綜合指數0.67，為中等沖擊危險；劃分強沖擊危險區域1個，中等沖擊危險區域19 個，其余為弱沖擊危險區域。其中，工作面回采進尺150~250 m 為“見方”影響區域，受“見方”影響，該區域為強沖擊危險區域，回采期間應做好監測預警措施，并提出針對性防治方案，以確保工作面安全回采。

圖1 1012001 工作面布置示意圖

2 “見方”期間沖擊危險監測預警情況

園子溝煤礦采用區域與局部相結合的方法對工作面回采期間的沖擊危險性進行監測，區域監測采用微震監測法；局部監測采用應力監測法以及礦壓監測法。

2.1 微震監測

微震監測是通過采集巖石破壞產生的微震和聲波數據，這些數據被處理后可以確定破壞位置并顯示出來[7]。1012001 工作面共安裝SOS 微震拾震器9個，其中2 號回風巷4 個，帶式輸送機巷5 個。

圖2 微震監測日能量與頻次曲線圖

2019 年9 月12 - 10 月 24 日工作面微震監測日能量與頻次曲線圖如圖2 所示，由圖可以看出，1012001 工作面微震日能量和微震頻次在9 月22日后明顯增加，9 月28 日微震日能量和頻次有所下降，10 月4 日又處于較高水平，說明“見方”影響自工作面回采150 m 開始出現，其中回采170~190 m時“見方”影響較小，190~250 m 時“見方”影響較大。“見方”期間，采空區頂板巖層穩定性減弱，巖層斷裂，受力狀態發生改變，造成頂板的劇烈破壞，形成大范圍的動壓擾動，引起震動事件。

2.2 煤體應力在線監測

采動應力的時空演化過程對沖擊地壓的發生有重要影響，因此要加強煤體應力的監測。

9 月 22 日 -10 月 24 日期間 1012001 工作面超前300 m 范圍應力最大值變化如圖3 所示。由圖可以看出，9 月22 日-10 月18 日應力最大值始終處于8~9 MPa 之間，10 月19 日應力最大值開始降低并于10 月21 日維持在6~7 MPa。工作面9 月22 日進入“見方”區域，10 月 21 日過“見方”區域。“見方”期間，工作面最大應力值受頂板結構影響處于較高水平，“見方”結束，最大應力值降低表明采空區后方頂板可能出現斷裂，導致前方應力峰值降低。

圖3 1012001 工作面應力監測最大值變化圖

2.3 礦壓監測

礦壓監測可為掌握工作面周期來壓規律以及液壓支架的初撐力和工作阻力等支護情況提供實測數據，是沖擊地壓危險監測的重要補充手段[8]。工作面“見方”期間分別在 9 月 28 日、10 月 3 日、10 月 7日、10 月 14 日、10 月 21 日出現周期來壓現象。

圖4 工作面周期來壓期間液壓支架工作阻力統計圖

周期來壓期間液壓支架的工作阻力變化如圖4所示，可看出“見方”區域周期來壓期間，工作面中部30-90 號支架出現壓力集中。“見方”區域，頂板形成“O-X”破斷結構，頂板大面積破斷造成工作面支架阻力增大。且“見方”與周期來壓疊加造成周邊圍巖應力環境十分復雜，來壓情況更為嚴重。

綜上所述，在“見方”期間，應加強沖擊危險的監測與防護，采用區域監測與局部監測相結合的監測手段，同時應提高工作面中部的支架強度，保證支架初撐力。

3 “見方”期間防沖方案設計

由上述監測分析結果，“見方”期間造成工作面沖擊危險的主要原因是煤體應力集中較高和工作面頂板大面積破斷造成的沖擊動載。為降低工作面沖擊危險，設計以大直徑鉆孔卸壓和頂板高壓水力壓裂為主的卸壓方案。

3.1 大直徑鉆孔卸壓

是預防沖擊地壓災害的有效手段，它是一種施工在所采煤層中的，孔徑不小于120 mm 的卸壓鉆孔，使鉆孔周圍的應力狀態發生改變，使得應力峰值向對工作面影響較小的煤體深部轉移；同時，鉆孔增大了煤巖體的自由面，緩慢釋放了積聚在煤巖體中的大量彈性能，降低煤巖體的沖擊危險性。

“見方”區域卸壓孔布置如圖5 所示。針對1012001 工作面“見方”影響區域，共施工Ф153 mm大直徑預卸壓鉆孔267 個，其中2 號回風巷煤柱側50 個，孔深10 m；底板67 個，孔深為穿過煤層，平均3 m；帶式輸送機巷工作面側和煤柱側各50 個，孔深20 m；輔助運輸巷實體側50 個，孔深20 m。

圖5 工作面“見方”區域卸壓孔布置示意圖

3.2 高壓水力壓裂

高壓水力壓裂是利用高壓水改變頂板的結構，形成有利于頂板破斷的裂隙；同時，頂板巖層吸水后強度降低，有利于頂板垮落。頂板的及時充分垮落能有效防治頂板型沖擊地壓。

工作面2 號回風巷、帶式輸送機巷超前工作面200 m 至停采線施工水力壓裂孔。水力壓裂鉆孔孔徑58 mm，孔深35 m，傾角70°，方位角 190°（與巷道夾角80°，終孔朝向采空區側），孔間距10 m。水力壓裂鉆孔布置平、剖面示意圖如圖6 所示。

圖6 水力壓裂鉆孔布置平、剖面示意圖

綜上所述，工作面“見方”期間沖擊危險防治對策如圖7 所示，通過采取上述措施，及時監測工作面沖擊危險，降低工作面沖擊危險程度，預防了沖擊地壓事故的發生，保證了工作面安全生產。

圖7 工作面“見方”期間沖擊危險防治對策

4 結 論

1）工作面受“見方”影響，采空區頂板巖層穩定性減弱，頂板結構發生改變，造成頂板的嚴重破壞，沖擊危險性增高。

2）工作面“見方”期間，微震日能量和微震頻次增加，工作面前方應力最大值增大，工作面支架阻力增大。

3）根據工作面監測分析結果，建立了工作面“見方”期間沖擊危險防治對策，降低了沖擊地壓危害程度，保障了礦井正常生產接續。