唐山礦3654 工作面沖擊失穩(wěn)監(jiān)測防治技術(shù)研究

孫 勝

（開灤（集團(tuán)） 有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018）

0 引 言

我國資源稟賦特征是 “缺氣、少油、相對富煤”，煤炭依然是我國的基礎(chǔ)能源[1]。隨著煤炭科技進(jìn)步，煤炭安全生產(chǎn)形勢持續(xù)好轉(zhuǎn)，煤炭工業(yè)創(chuàng)新支撐了國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。這也意味著煤炭的開采強(qiáng)度、能源需求不斷增加，淺部開采不再滿足發(fā)展需求，不得不進(jìn)行深部開采[2]。煤炭深部開采與淺部明顯不同，深部開采受到環(huán)境的“三高” 和“三強(qiáng)” 的影響，更容易誘發(fā)沖擊失穩(wěn)、頂板垮落、礦震等災(zāi)害，造成嚴(yán)重破壞，人員傷亡，生產(chǎn)效益降低[3-5]。因此，開展煤炭深部開采動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理與防治基礎(chǔ)研究，對于保證我國煤炭工業(yè)的持續(xù)、安全發(fā)展，保障能源的安全供給具有重要意義，也是建立以人為本和諧社會(huì)的必要條件。

1 工程概況

唐山礦3654 工作面為5 煤層開采工作面，煤層平均厚度2.84 m，傾角10°，走向長度393 m，傾斜長度137.5 m，工作面布置如圖1 所示，開采深度為- 758 m，南側(cè)為京山鐵路保護(hù)煤柱，北側(cè)為十二水平運(yùn)輸巷道保護(hù)煤柱，東側(cè)未受采動(dòng)影響，西部為3654 工作面，采面處于寬緩的向斜軸部，局部遇有落差小于1 m 的斷層，煤層賦存基本穩(wěn)定。

圖1 3654 工作面工作面布置Fig. 1 Arrangement of 3654 working face

2 沖擊失穩(wěn)誘發(fā)因素分析

沖擊失穩(wěn)的發(fā)生往往是多因素共同作用的結(jié)果。開采深度、煤巖力學(xué)特征、地質(zhì)動(dòng)力作用等都是誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害事故的主要因素。唐山礦采深- 530 m 以上時(shí)未發(fā)生過煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)，在- 530～- 600 m 發(fā)生48 次；當(dāng)采深達(dá)到- 630 m 以下后，甚至在工作面中也發(fā)生了煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)。結(jié)合煤（巖） 物理力學(xué)性質(zhì)（表1），數(shù)據(jù)表明5 煤層煤質(zhì)中硬，脆性較大，具有中等以上的煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)危險(xiǎn)傾向；頂板堅(jiān)硬，脆性高，當(dāng)其斷裂振動(dòng)時(shí)，易于發(fā)生煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)。同時(shí)，在上覆巖層內(nèi)也存在多個(gè)堅(jiān)硬巖層，這些堅(jiān)硬頂板的活動(dòng)、斷裂失穩(wěn)也易于導(dǎo)致煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)。唐山礦井田主要發(fā)育的構(gòu)造為新華夏系形成的陡河斷裂，在淺部分支內(nèi)有5 條斷層。理論實(shí)踐證明，在向斜軸部，尤其是在煤層褶皺，斷層附近，構(gòu)造變化區(qū)等因地質(zhì)運(yùn)動(dòng)形成的活化帶，煤層賦存較大的構(gòu)造應(yīng)力，很容易發(fā)生沖擊失穩(wěn)事故。因此，了解研究沖擊失穩(wěn)誘發(fā)因素對于保證職工生命財(cái)產(chǎn)安全，保障安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率、節(jié)約礦井開采工程成本具有深遠(yuǎn)且重大的意義[6-7]。

表1 煤（巖） 物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of coal (rock)

3 沖擊失穩(wěn)監(jiān)測及防治技術(shù)

3.1 沖擊失穩(wěn)監(jiān)測技術(shù)

防治工作的重要部分是煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)預(yù)測，準(zhǔn)確的預(yù)測對及時(shí)采取防范措施是十分重要的。只有較為準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測預(yù)報(bào)，才能有針對性地采取防治措施。3654 工作面使用地音監(jiān)測、巷道支架變形觀法、鉆屑檢法等監(jiān)測方法。聲發(fā)射監(jiān)測采用北京煤科院開采所研制的BD4- 1 型便攜式地音儀，對工作面采用定點(diǎn)監(jiān)測法進(jìn)行監(jiān)測，隨著工作面的推進(jìn)，在風(fēng)道、溜子道超前20～50 m 各保持1 個(gè)地音監(jiān)測孔，為減少干擾，每天在交接班時(shí)間或準(zhǔn)備班進(jìn)行觀測，通過監(jiān)測能率，找到數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，來分析煤巖體的應(yīng)力變化情況。鉆屑檢測法使用MZ- 1.2 型礦用煤電鉆，φ42 mm 麻花鉆桿，孔深不小于6 m，向煤壁內(nèi)垂直打孔，記錄不同深度時(shí)每米孔深的煤粉量和動(dòng)力現(xiàn)象，由檢測結(jié)果判斷煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)的可能性。根據(jù)大量鉆屑檢測結(jié)果，將唐山礦沖擊危險(xiǎn)劃分為3 個(gè)等級，即無危險(xiǎn)、中等危險(xiǎn)、嚴(yán)重危險(xiǎn)。鉆屑檢測指標(biāo)見表2。

表2 鉆屑檢測指標(biāo)Table 2 Drilling cuttings detection index

3.2 沖擊失穩(wěn)防治技術(shù)

綜合地音監(jiān)測、鉆屑檢測等沖擊失穩(wěn)檢測方法的結(jié)果，對潛在煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生做出判斷，并及時(shí)采取煤層注水、卸壓爆破等措施來降低沖擊危險(xiǎn)程度。

煤層注水法是對煤層進(jìn)行壓力預(yù)注水后，使煤體濕潤，改變煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，減小煤體彈性，增加煤體塑性，改變煤體的應(yīng)力狀態(tài)，從而降低和減緩煤層的沖擊危險(xiǎn)程度[8-9]。3654 工作面從開采至結(jié)束，在風(fēng)道共打有效鉆孔10 個(gè)，孔深12.5～36 m，孔間距25 m，鉆孔總長度180 m，累計(jì)注水量884 m3。圖4.1 為注水鉆孔布置，為了檢測煤體的注水效果，對注水前后煤體含水率進(jìn)行了現(xiàn)場測定。圖2 為注水前后的鉆屑檢測結(jié)果，注水前峰值鉆屑量為4.6 kg/m，注水后為3.25 kg/m，降低了29.3%，注水降低了煤體的應(yīng)力集中程度，無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤巖的沖擊危險(xiǎn)性減小，整體應(yīng)用效果比較好。

圖2 注水鉆孔布置Fig. 2 Water injection drill hole layout

圖3 注水前后的鉆屑檢測Fig. 3 Drilling cuttings testing before and after water injection

卸壓爆破是針對可能存在沖擊危險(xiǎn)的煤巖體進(jìn)行鉆孔爆破，以達(dá)到減緩其應(yīng)力集中程度的一種解危措施[10-12]。在3654 風(fēng)道沿走向中部區(qū)段，有Ⅱ～Ⅲ級沖擊危險(xiǎn)，是首先需要卸壓的部位。3654 工作面卸壓爆破鉆孔按垂直煤壁方式布置，傾角與工作面頂板相一致，鉆孔深度5～7 m，鉆孔間距3～5 m，每個(gè)鉆孔裝藥量600～750 g，躲炮時(shí)間20～30 min，躲炮距離100～150 m，在開切眼前方133 m 位置，鉆孔2 檢測峰值鉆屑量為30.2 kg/m，并產(chǎn)生卡鉆現(xiàn)象，因此采用鉆屑法在其兩側(cè)進(jìn)行范圍圈定，卸壓爆破效果檢測孔布置如圖4 所示，圖中1、2、3 為正常檢測孔，為圈定范圍檢測孔，進(jìn)行松動(dòng)爆破。綜合表2 和圖5 表明，鉆孔深度在6～7 m 時(shí)圈定范圍檢測孔的鉆屑量明顯低于鉆孔2 說明該范圍內(nèi)的沖擊危險(xiǎn)等級由嚴(yán)重危險(xiǎn)變成了Ⅰ級無危險(xiǎn)。

圖4 卸壓爆破效果檢測孔布置Fig. 4 Layout of test hole for relief blasting effect

圖5 松動(dòng)爆破前后的鉆屑檢測Fig. 5 Drilling cuttings detection before and after loose blasting

3.3 應(yīng)用效果

3654 工作面自應(yīng)用防治措施至開采結(jié)束，共發(fā)生了5 次煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)，較之前當(dāng)采深達(dá)到- 530 m 以下發(fā)生數(shù)十次煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)而言，得到了明顯改善。由于采取了合理的預(yù)測手段和綜合治理措施，使該工作面的沖擊危險(xiǎn)程度得到降低和緩解，整個(gè)開采期間僅發(fā)生5 次煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)，沒有造成大的破壞，實(shí)現(xiàn)了該工作面的安全開采，產(chǎn)生了良好安全效益、經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 論

（1） 通過對唐山礦3654 工作面沖擊失穩(wěn)誘發(fā)因素的分析，綜合開采深度、煤巖力學(xué)特征、地質(zhì)動(dòng)力因素分析結(jié)果，為選擇合理的沖擊失穩(wěn)監(jiān)測方法提供重要依據(jù)。

（2） 根據(jù)唐山礦3654 工作面的地質(zhì)條件及生產(chǎn)現(xiàn)狀，確定3654 工作面采取的沖擊失穩(wěn)監(jiān)測方法為鉆屑法和地音監(jiān)測法。

（3） 整個(gè)方法立足于沖擊危險(xiǎn)程度的預(yù)測，并盡可能地采取主動(dòng)的積極有效的措施，減小煤巖沖擊動(dòng)力失穩(wěn)的危險(xiǎn)程度，降低3654 工作面發(fā)生沖擊失穩(wěn)失穩(wěn)的頻率，實(shí)現(xiàn)對沖擊失穩(wěn)有效防治的目的。