采煤工作面沖擊地壓綜合治理技術探究

陳世銀

（國能新疆寬溝礦業有限責任公司，新疆昌吉 831215）

1 前言

多維構型下的煤礦安全生產必須在技術引領、方案預警引領、安全物質引領的多位一體道路上進行保護。但是傳統的地質危害預控與前期勘探信息分析必不可少。以異常地質影響為代表的沖擊地壓是礦井事故的關鍵。其井巷中或者周圍的煤巖體因為異常地質應力、外界情況擾動和上覆巖層坍塌為代表的沖擊地壓危害，時刻危及著煤礦開采工作人員的安全和生命。當前的煤礦開采工程已經邁入大掘進量的快速機械化開采方式，這種工藝隨之而來的就是更為劇烈的圍巖應力釋放。[1]所以必須在掘進工藝設計和多維導向的復雜地質預控方面做足研究，確保本質安全。

2 I010203 工作面情況簡介

I010203 工作面構型簡單，位置大概在采區西翼B2 煤層中，東面位置的III 號勘探線上大約在130 米的位置存在遮擋，西面以I 號勘探線以西75m 處為界。多維測量的南面距離井田邊界182-52m。精細測定下的煤礦開采工作面下方位置順槽水平方向上的標高大致有+1321 米～+1327 米的區間距離，在煤礦工作面上順槽的水平方向上標高數據是+1365 米～+1375 米，經過角度測量儀器的測量，順槽方向的方位角度測量數據是291°；煤礦工作面和地面之間所測量標注的高度是+1660 米～+1820 米。

煤礦開采工作面煤層所表現出來的方向大約是104-110之間的角度。通過對當前所勘測到的地質資料進行分析可以知道：煤礦中煤層的大致走向和頂底板所顯示的標注高度變化趨勢比較大、結構復雜，有9 個斷層，其中3 個斷層對采礦有重大影響。其他煤層之間的距離相差很小，最大的地方也不夠1 米，不會影響到煤礦的正常開采。此外，煤層中存在較多的褶皺結構和破碎區，會影響工作。[2]

巷道布置依據:為減少運輸環節，礦方將I010203 下順槽開口位置定在I010201 上順槽以南15m；礦方將上順槽開口位置定在下順槽以南186.6m 處；工藝巷在下順槽以南93m處；I010203 開切巷布置在上方B4 煤層實體區，停采線位置依據風井保護煤柱(巖石走向跨落角按67°計算)及西翼B41運輸上山保護煤柱確定，距I010203 下順槽開口80m。

采煤方法：根據《寬溝煤礦B2 煤層綜放開采可行性研究報告》中P102“B2 煤層適合采用綜放開采”，結合實際情況決定采取基于走向長臂的后退式的綜采放頂煤開采技術。開采煤層厚度為9.5m，其中機采高度為3.2m，放頂煤高度為6.3m。落煤方式：采煤機割煤和液壓支架尾梁、插板伸縮擺動低位放頂煤，通過工藝巷進行頂煤超前預裂爆破以此弱化頂煤硬度，提高頂煤冒放性，在礦山壓力作用下，通過插板來對大塊的煤進行破壞，以此來實現落煤。

支護設計：寬溝煤礦開采順序為區段上行式，結合I010201、I010202 工作面的開采經驗，工作面下順槽受支承壓力較大，壓力顯現較為明顯，為確保工作面下順槽頂板穩定，減小頂板離層量，工作面上、下順槽均采用超前支架進行支護，工作面支護方式是利用的液壓支架技術，防止煤壁片幫，架后頂板采用全部跨落法進行處理，通過超前預裂縮短頂板初次、周期來壓步距。

3 沖擊地壓形成的原因分析

沖擊傾向性說明：I010203 工作面屬于B2 煤層當中的中央位置，B2 煤層自身帶有弱沖擊的特性，同時其頂板具有強沖擊的特性。與其上覆距B2 煤層大約距離在五十米的B41煤層則自身帶有強沖擊的特性。對該工作面進行煤炭開采的過程當中具備厚層堅硬頂板的特性，在應力方面，其具有相對復雜的疊加特性，為了煤炭開采過程中的安全起見，必須設計一套科學、完善、安全的沖擊地壓防治方案。[3]

危險區域劃分：根據B2 煤層工作面安全回采的沖擊地壓防治經驗，結合I010203 工作面的實際情況，通過對該回采面的進行全方位的綜合性具體詳細地分析，現對I010203工作面回采期間劃分為9 個沖擊危險區域，詳見圖1。

圖1 工作面危險區域劃分圖

（1）區域I，具有中等沖擊危險。該區域屬于I010203工作面當中的下順槽超前支護當中影響到的范圍。（2）區域II，具有弱沖擊危險。該區域為I010203 工作面上順槽超前支承壓力影響范圍。以上兩個危險區域具有比較明顯的、典型動態變化的特征，能夠隨著工作面開采的變化而發生前移。（3）區域III，具有中等沖擊危險。該區域具有“單面見方”特征，也就是說煤礦開采工作面進行180-230 米的位置。（4）區域IV，該區域自身帶有中等沖擊的特性。該區域為“雙面見方”區域，也就是說在工作面進行大約350-400 米的位置。（5）區域V，自身帶有強沖擊的特性。該區域為在工作面進行大約50 米的位置。（6）區域VI，自身帶有強沖擊的特性。這個區域的位置在工作面外I010405 采空區的煤體。（7）區域VII，自身帶有弱沖擊的特性。這個區域屬于DF2 斷層對工作面產生不良影響的范圍。（8）區域VIII，自身具備中等沖擊的特性。這個區域屬于工作面和停采線之間的距離大約50 米的位置。（9）區域IX，自身帶有中等沖擊的特性，這個區域屬于工作面老頂初次來壓的范圍。

4 沖擊地壓綜合治理技術

4.1 技術方案

防沖治理方案：根據B2 煤層的沖擊地壓防治經驗，我礦將在I010203 工作面采取的防沖處理技術主要是初次放頂、頂板深孔預裂爆破，煤層超前松動爆破等措施。通過對頂板、煤層的處理技術的應用，實現I010203 工作面安全高效回采。

超前深孔預裂爆破：由于I010203 工作面自身所具備的厚層堅硬頂板的先天特點，并且該工作面還將受到上部煤層以及煤柱的干擾，應力相對較大。

爆破孔直徑為深孔爆破弱化頂板，爆破孔直徑一般為70mm-100mm。當孔的直徑較小時，加載難度較大，爆炸的影響范圍與爆炸孔的直徑成正比。小孔徑的爆破效果較差，但孔徑過大時，泥漿難以封堵，影響爆破。[4]因此，深孔爆破弱化頂板鉆孔的直徑不能太大也不能太小。I010203工作面深孔炮眼直徑設定為94mm。炸藥爆炸后形成沖擊和擾動，從爆炸源起依次形成擠壓區、裂隙區、振動區。計算爆破作用產生的裂紋面積范圍可以確定合理的孔距。由于爆破是在沒有自由表面的情況下進行的，當載荷解耦時，根據爆破應力波計算泄壓爆破裂紋區域的范圍。

不耦合裝藥爆破，作用于孔壁上的徑向應力峰值，即初始沖擊壓力Pr為：

式中：

ρe、D—分別為炸藥密度和爆速：ρe＝1.27×103kg/m3，根據三級煤礦許用乳化炸藥性能指標及規格，爆速≥2.8×103m/s，根據經驗值爆速取值D=4400m/s。

dc、db—分別為炸藥和炮孔直徑，為Φ90mm 和Φ94mm；

n—爆生氣體碰撞巖壁時產生的應力增大倍數，n=8～12，取12。

式中：巖石的泊松比v=0.2，抗拉強度σt=7.48MPa，三號乳化炸藥密度ρ0=1.27g/cm3，衰減指數a=1.5。說明在炮眼直徑為Φ94mm，藥卷直徑在Φ90mm的情況下，炸藥爆炸后形成的裂隙區半徑為3623mm，直徑為7246mm，則組內炮眼間距取7000～7500mm。

根據上述頂板力學參數和#3 乳化炸藥性能參數，計算結果為破裂帶直徑大于7500mm。因此，在保證足夠安全的情況下，同時對工作面頂板進行預開裂，以達到頂板不受力的前提，故炮間距設置為10000mm。

爆破孔的深度主要由頂板的厚度、工作面的長度、煤層的陡度、距孔底的距離、孔間的距離等因素決定。孔的深度不應太深。比如洞太長，裝車難度會增加，容易出現“卡洞”現象。

密封長度。當利用柱狀荷載時，煤巖體的抗爆能力隨著孔深的增加而增加，而爆破煤的爆破能力與密封長度和煤、巖體的抗爆能力有關。封孔長度過短，會降低抗爆能力，爆破時會產生爆破漏斗，影響爆破效果，尤其是中間的穩定性和支撐性會受到破壞。如果密封孔的長度大于其臨界長度，煤的爆破能力將小于抗爆能力，密封段的煤巖體在爆炸時不能形成裂縫，這也會影響爆炸效果。因此，合理的封堵長度應保證封堵段煤巖體松散、預裂，同時不能產生發射漏斗。

按照一般考慮，深孔爆破的密封長度不應小于孔深的13，但考慮到爆炸點靠近碳素屋面，容易造成屋面漏水事故。根據經驗，爆炸點應控制在碳纖維屋頂以上4m。上通道爆破孔采用ZDY-4000s 和ZDY-1900 全液壓隧道鉆機建造，鉆頭為94mm 合金鋼鉆頭。下通道爆破孔采用ZDY-1000 全液壓隧道鉆機建造，鉆頭為75mm 合金鋼鉆頭。爆破孔采用ZDY-1900 和ZDY-6000S 全液壓煤礦隧道鉆機，鉆頭為94mm 合金鋼鉆頭。

4.2 管理管控

1.沖擊地壓防治現狀。礦區成立沖擊地壓防治領導小組，形成了由礦長全面負責，分管副礦長對分管范圍內的防治工作直接負責，總工程師、安全礦長負責沖擊地壓防治的技術管理工作；下設礦壓防治辦公室，負責綜合監測、解危措施、效果檢驗、技術方案制定等防沖技術管理工作，災害防治隊負責防沖工程現場施工。建立以“基礎評價、監測預警、解危措施、效果檢驗、安全防護、防沖管理、現場施工”為基礎的“六位一體”防沖管理體系。最后建成微震監測系統、地音監測系統、支架在線監測系統、頂板離層在線監測系統、電磁輻射儀監測、鉆屑監測等綜合立體監測體系。[5]

2.實施綜合預警、綜合治理手段。通過在線監測系統和現場采集數據進行分析、研判，每日下發綜合日報表，實施超前預警。對采煤工作面危險區域實施超前深孔預裂爆破、上下端頭切頂爆破解危措施處理頂板，降低和消除應力集中區域。對掘進工作面危險區域實施煤體松動爆破、大直徑鉆孔卸壓解危措施將煤體應力進行釋放，有效地保證了采掘工作面安全平穩推進。

5 結語

1.實施防沖綜合治理手段。通過確定合理的采掘工藝，實施堅硬頂板處理方法（包括工作面超前深孔預裂爆破、上下端頭切頂爆破）、煤體應力釋放技術（包括煤體注水、煤體松動爆破、大孔徑鉆孔卸壓）等綜合防治手段，有效地保證了采、掘面安全推進。

2.根據礦井礦壓綜合防治方案及首采綜放工作面的實際情況，做好I010201 綜放工作面頂板管理工作，采取積極主動的防治措施。結合該工作面周期來壓，在I010201 下順槽施工工藝巷（工藝巷間距：100m），截至目前已施工完成了1 至9 號，累計施工長度980m，對工作面的頂板進行爆破處理時，切實將礦壓防治措施落實到現場，確保放頂煤期間的安全生產，為礦井安全高效生產夯實基礎。