下溝煤礦ZF303 孤島工作面沖擊地壓防治技術(shù)研究

史 銳

（陜西華彬煤業(yè)股份有限公司, 陜西 咸陽(yáng) 713500）

0 引 言

近年來(lái)，隨著礦井開(kāi)采深度不斷延伸，沖擊地壓危險(xiǎn)不斷顯現(xiàn)[1~2]。事故多發(fā)于工作面回采過(guò)程中，且綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采方式更容易出現(xiàn)沖擊地壓事故[3~5]。下溝煤礦ZF303 工作面埋深較大，回采工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，為防治回采過(guò)程出現(xiàn)沖擊地壓事故，本文通過(guò)對(duì)該礦目前地壓情況進(jìn)行了綜合分析，總結(jié)了出現(xiàn)沖擊地壓事故的危險(xiǎn)源，通過(guò)微振技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作面地壓情況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)考察，制定了相應(yīng)的防治措施，并進(jìn)行了后期效果考察。研究結(jié)果對(duì)該煤礦以及相同情況其他礦井沖擊地壓防治工作具有一定的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 ZF303 工作面概況

下溝煤礦主采4 號(hào)煤層，煤層平均厚度11.5 m，夾矸3 層，煤巖情況見(jiàn)表1。

表1 4 號(hào)煤層頂?shù)装迩闆r表

經(jīng)鑒定，4 號(hào)煤層及頂?shù)装鍥_擊傾向性屬于Ⅱ類，即弱沖擊地壓，鑒定參數(shù)見(jiàn)表2；其中絕對(duì)瓦斯涌出量為41.8 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量7.65 m3/t，為高瓦斯礦井；屬Ⅱ類自燃煤層，煤塵具有爆炸性。

表2 4 號(hào)煤層沖擊傾向性測(cè)定結(jié)果

工作面走向長(zhǎng)度2 877 m，傾斜長(zhǎng)度168 m，工作面整體埋深350 m，埋深較深。工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤法開(kāi)采，頂板采用全垮落方法管理

2 沖擊地壓現(xiàn)狀分析

2.1 地質(zhì)影響

ZF303 工作面平均埋深350 m，上部20 m 范圍內(nèi)存在厚度大于10 m 的砂巖，由于砂巖本身硬度較大，而且比較脆，具有一定的吸能左右，當(dāng)距離頂板較近距離范圍內(nèi)存在砂巖會(huì)導(dǎo)致頂板放頂較難，而一旦回采步長(zhǎng)達(dá)到砂巖承接應(yīng)力臨界點(diǎn)，就會(huì)導(dǎo)致工作面整體垮塌，形成較大沖擊地壓事故。根據(jù)大量案例分析，埋深小于350 m 時(shí)，沖擊地壓現(xiàn)象一般不會(huì)發(fā)生；埋深介于350～500 m 之間，沖擊地壓危險(xiǎn)性呈線型增長(zhǎng)趨勢(shì)；埋深介于500～800 m 之間，沖擊地壓危險(xiǎn)性的發(fā)生會(huì)加劇；當(dāng)埋深超過(guò)800 m 時(shí)，地應(yīng)力一般超過(guò)煤層抗壓強(qiáng)度，礦壓管理不善，極容易發(fā)生沖擊地壓導(dǎo)致的煤巖爆裂傷人事故。

2.2 開(kāi)采情況

ZF303 工作面為孤島工作面，兩邊的ZF304 工作面和ZF302 工作面都已經(jīng)回采完畢，預(yù)留30～80 m 的煤柱。開(kāi)采情況如圖1 所示；兩邊工作面均回采完畢后會(huì)導(dǎo)致斷面應(yīng)力分布產(chǎn)生孤島現(xiàn)象，影響ZF303 工作面回采過(guò)程中的地壓分布情況。

圖1 開(kāi)采情況圖

2.3 回采過(guò)程

回采期間，工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，放頂過(guò)程中，上覆巖整體垮落，因此頂板管理不當(dāng)必然產(chǎn)生沖擊地壓危險(xiǎn)。

3 巖層應(yīng)力模擬考察

為研究回采過(guò)程中ZF303 工作面圍巖應(yīng)力分布情況，現(xiàn)對(duì)推進(jìn)至距1 號(hào)斷面10、30、60 m 情況下斷面圍巖應(yīng)變情況進(jìn)行數(shù)值模擬。斷面布置見(jiàn)圖2。

圖2 模擬斷面位置圖

煤巖是多孔介質(zhì)，因此采用流-固耦合模型，頂板為細(xì)粒砂巖，底板為鋁土質(zhì)泥巖，不同巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3；通過(guò)數(shù)值模擬得到應(yīng)力分布云圖3。

圖3 應(yīng)力分布圖

表3 巖層基本參數(shù)表

由圖3 可知，隨著工作面不斷推進(jìn)，煤巖應(yīng)力不斷增大，回采面距離1 號(hào)斷面60 m 時(shí)，斷面切片應(yīng)力不會(huì)出現(xiàn)集中現(xiàn)象，基本處于均衡狀態(tài)；回采面距離1 號(hào)斷面30 m 情況下，斷面切片顯示應(yīng)力開(kāi)始顯現(xiàn)，斷面最大應(yīng)力為3×1 010 Pa；當(dāng)回采面距離斷面10 m 時(shí)，斷面最大應(yīng)力為3×1 010 Pa，煤巖及頂板巖層基本達(dá)到應(yīng)力極限，出現(xiàn)斷裂破碎等現(xiàn)象。

4 沖擊地壓防治技術(shù)

為有效解決ZF303 工作面沖擊地壓?jiǎn)栴}，現(xiàn)進(jìn)行工作面回采期間卸壓。主要方法為施工卸壓孔和深孔預(yù)裂爆破的方法，對(duì)于弱沖擊地壓區(qū)域以施工卸壓孔為主，當(dāng)遇到煤體堅(jiān)硬或卸壓孔無(wú)法達(dá)到卸壓要求時(shí)使用預(yù)裂爆破的方法進(jìn)行卸壓[6~8]。

4.1 大直徑鉆孔卸壓

設(shè)計(jì)鉆孔孔徑133 mm，對(duì)評(píng)估具有弱沖擊地壓的區(qū)域施工鉆孔孔間距3 m，中等沖擊地壓危險(xiǎn)性區(qū)域施工鉆孔孔間距2 m，運(yùn)輸巷向工作面方向施工鉆孔孔深25 m，向煤柱方向施工鉆孔孔深15 m；回風(fēng)巷卸壓鉆孔施工和運(yùn)輸巷卸壓鉆孔施工基本一致；由于ZF303 工作面底煤厚度為1.5～2 m，因此有施工底板卸壓孔的必要。各鉆孔參數(shù)見(jiàn)表4；鉆孔設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 卸壓孔設(shè)計(jì)圖

表4 卸壓孔參數(shù)表

4.2 預(yù)裂爆破卸壓

預(yù)裂爆破鉆孔孔徑φ42 mm，爆破孔施工位置為沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域和區(qū)域前后5 m 范圍內(nèi)，炮眼深度10 m，爆破孔間距5 m，鉆孔設(shè)計(jì)如圖5 所示。鉆孔均垂直于巷道，平行于煤層施工。

圖5 爆破孔鉆孔設(shè)計(jì)示意圖

5 效果考察

為考察以上措施的可靠性，現(xiàn)運(yùn)用微振技術(shù)對(duì)工作面圍巖能量、頻次進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7。各個(gè)測(cè)點(diǎn)基本監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，以1 號(hào)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)解果為例，能夠接收到的測(cè)點(diǎn)基本位于工作面頂板位置，圖中綠色標(biāo)識(shí)測(cè)點(diǎn)震級(jí)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)最大震級(jí)為1.38，屬于弱沖擊震動(dòng)狀態(tài)。因此可知，ZF303 工作面沖擊地壓危險(xiǎn)得到有效控制。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖7 1 號(hào)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)解果圖

6 總 結(jié)

1）ZF303 工作面會(huì)產(chǎn)生沖擊地壓圍巖的原因主要為頂板砂巖、綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采和成為孤島工作面。

2）ZF303 工作面前方距離采面30 m 范圍開(kāi)始斷面出現(xiàn)應(yīng)力集中，到10 m 時(shí)應(yīng)力已經(jīng)出現(xiàn)大面積擴(kuò)散現(xiàn)象，即頂板巖層開(kāi)始產(chǎn)生大量裂隙。

3）ZF303 工作面沖擊地壓防治措施主要為加施工卸壓孔，當(dāng)卸壓孔無(wú)法消除沖擊地壓危險(xiǎn)性時(shí)采用預(yù)裂爆破的方法。

4）微振考察結(jié)果顯示通過(guò)預(yù)防措施的實(shí)施，回采過(guò)程中ZF303 工作面頂板會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)，最大震級(jí)為1.38，屬于弱沖擊震動(dòng)狀態(tài)。

5）綜上所述，通過(guò)一系列研究可知，措施的實(shí)施可以有效控制回采過(guò)程中沖擊地壓的發(fā)生。