沖擊地壓工作面縮面工程實(shí)踐及防沖技術(shù)應(yīng)用分析

楊偉民

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司門(mén)克慶煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017399）

1 工程概況

中天合創(chuàng)門(mén)克慶煤礦地處內(nèi)蒙古烏審旗圖克鎮(zhèn)，井田面積約94.66 km2，產(chǎn)能0.8 Mt/a。井田構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體為一向西傾斜的單斜構(gòu)造，傾向270°左右，地層傾角1°～3°。礦井主采侏羅系中統(tǒng)延安組3-1 煤層，經(jīng)鑒定3-1 煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，其頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性。3102 工作面煤厚平均4.75 m，煤層傾角平均2°，普氏系數(shù)f=2～3。直接頂以粉砂巖為主，其次為砂質(zhì)泥巖、泥巖，平均厚2.7 m；老頂為平均厚度18.5 m 的細(xì)砂巖；直接底為厚度平均10.29 m 的粉砂巖。

3102采面位于井田西南側(cè)，東鄰3104工作面（未采），南鄰井田邊界，西鄰3101 面采空區(qū)，隔離煤柱35 m。原面長(zhǎng)300 m，采高4.75 m，安裝175臺(tái)ZY13000/26/55D 型液壓支架，沿3-1 煤底板回采，采用長(zhǎng)壁后退式一次采全高綜采。由于原回風(fēng)巷受沖擊顯現(xiàn)影響，圍巖變形嚴(yán)重，難以滿足生產(chǎn)需要，故對(duì)工作面實(shí)施縮面改造復(fù)產(chǎn)工程。

2 沖擊地壓顯現(xiàn)及原因分析

2.1 沖擊地壓顯現(xiàn)事件

工作面回采期間，超前壓力較大，沖擊顯現(xiàn)事件多集中在回風(fēng)巷超前40 m 范圍，出現(xiàn)鼓幫、頂板下沉、單體損壞、煤塊突出、底鼓等現(xiàn)象。工作面推采至930 m 時(shí)，發(fā)生最嚴(yán)重的沖擊顯現(xiàn)，超前工作面約90 m 范圍出現(xiàn)單體、木垛歪斜；煤柱幫局部煤體潰出、木垛傾倒；巷道嚴(yán)重破壞區(qū)域范圍約40 m，頂?shù)装遄畲笠平考s2.0 m，最大底鼓量約1.2 m，嚴(yán)重破壞區(qū)回風(fēng)斷面縮為原斷面的約三分之一。自沖擊顯現(xiàn)后，工作面無(wú)法形成正常的通風(fēng)系統(tǒng)，工作面停產(chǎn)。

2.2 原因分析

根據(jù)震源區(qū)域鉆孔可知，煤層上方34.8 m 對(duì)應(yīng)的62 m 厚中粒砂巖為堅(jiān)硬儲(chǔ)能關(guān)鍵層。隨著工作面推采，采空區(qū)直接頂充分冒落，裂隙帶逐步向上發(fā)育，覆巖離層面積逐漸增大，關(guān)鍵層發(fā)生彎曲破斷并釋放彈性能量，引起大能量震動(dòng)，誘發(fā)3102工作面回風(fēng)巷沖擊顯現(xiàn)。同時(shí)，3101 與3102 采空區(qū)聯(lián)合作用，上覆巖層處于運(yùn)移活躍期，35 m 煤柱支承作用難以與覆巖運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡狀態(tài)[1-3]。

3 縮面方案的制定

根據(jù)回采期間微震影響范圍及3-1 煤不同煤柱尺寸應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果，采取新開(kāi)掘二號(hào)回風(fēng)巷，將回風(fēng)巷側(cè)煤柱由35 m 增加至120 m，面長(zhǎng)縮短為214.6 m（拆除127～175#支架）。

主要流程：首先，向采煤方向掘進(jìn)新二號(hào)回風(fēng)巷，與工作面貫通后，工作面推采13 m 進(jìn)行掛網(wǎng)上繩工作；完成頂板鋪網(wǎng)后，工作面停采，在支架前方采用綜掘機(jī)向原回風(fēng)巷方向擴(kuò)刷80 m 長(zhǎng)回撤通道；最后，對(duì)80 m 范圍內(nèi)的綜采設(shè)備進(jìn)行回撤，完成縮面工作。如圖1。

圖1 3102 工作面縮面回撤平面圖（m）

4 沖擊地壓防治技術(shù)及應(yīng)用分析

4.1 大直徑鉆孔卸壓

（1）迎頭大直徑鉆孔卸壓。二號(hào)回風(fēng)巷及回撤通道刷擴(kuò)綜掘施工期間，迎頭施工超前卸壓鉆孔。鉆孔方位角與巷道平行，鉆孔傾角0°，孔深25 m，孔徑150 mm，每組鉆孔3 個(gè)，三花布置，每掘15 m 后重新施工超前卸壓孔。

（2）幫部大直徑鉆孔卸壓。① 新二號(hào)回風(fēng)巷兩幫卸壓鉆孔垂直巷幫，傾角0°，孔深20 m，孔間距1.5 m，孔徑均為150 mm，在綜掘機(jī)后10 m向迎頭方向施工；② 回撤通道施工前在工作面內(nèi)煤壁方向每隔3 m 施工孔徑150 mm 的鉆孔，孔間距20 m，提前對(duì)回撤通道區(qū)域工作面前20 m 的煤體進(jìn)行卸壓，使回撤通道處在低應(yīng)力區(qū)。

4.2 頂板深孔預(yù)裂爆破

為弱化3102 工作面35 m 煤柱區(qū)域集聚的高應(yīng)力，采用深孔爆破對(duì)煤柱區(qū)老頂進(jìn)行預(yù)裂處理。預(yù)裂范圍走向超前工作面25 m，傾向?qū)仫L(fēng)巷留設(shè)5 m 預(yù)裂保護(hù)帶。在機(jī)尾（170#）架間施工3 個(gè)頂板預(yù)裂孔，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 3102 工作面機(jī)尾區(qū)域頂板爆破孔參數(shù)表

4.3 礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

（1）微震分析

自工作面復(fù)采至掛網(wǎng)結(jié)束，工作面區(qū)域共監(jiān)測(cè)到微震事件14 個(gè)，其中超過(guò)104J 以上事件數(shù)2 個(gè)。推采第2 個(gè)循環(huán)時(shí)出現(xiàn)2 個(gè)事件，能量小于100 J，之后5 d 內(nèi)均未監(jiān)測(cè)到微震事件。通過(guò)施工鋼絲繩固定錨索可知，頂板上方3～4 m 均出現(xiàn)離層。25 日夜班出現(xiàn)100 J以上的事件，且事件位置發(fā)生在面前，二號(hào)回風(fēng)巷至機(jī)尾段推進(jìn)距離一致。該段受超前支承壓力影響，直接頂靠上部位巖層有出現(xiàn)提前斷裂現(xiàn)象，后續(xù)推采期間支架受直接頂垮落影響工作阻力出現(xiàn)上升，工作面推采進(jìn)入常規(guī)受力狀態(tài)，監(jiān)測(cè)到的事件數(shù)和能量均增大，見(jiàn)表2。

表2 掛網(wǎng)期間微震事件統(tǒng)計(jì)

（2）支架工作阻力分析

工作面推采掛網(wǎng)期間支架日平均工作阻力的變化情況如圖2。工作面整體壓力在30 MPa 以下（排除10 月20 日和31 日），壓力變化幅度不大，未出現(xiàn)來(lái)壓跡象，工作面頂梁上部老頂懸臂長(zhǎng)度未達(dá)到破斷極限，停采前老頂仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。19、20日進(jìn)行上網(wǎng)施工，工作面處于等壓狀態(tài)，由于停產(chǎn)期間直接頂已出現(xiàn)離層并壓實(shí)支架頂梁，生產(chǎn)兩個(gè)循環(huán)后直接頂受擾動(dòng)充分垮落，作用在支架頂梁上，壓力升高至33 MPa 左右。

圖2 工作面支架日均工作阻力變化圖

從10 月28 日開(kāi)始施工置換區(qū)錨索后，平均每天推進(jìn)1 個(gè)循環(huán)，工作面支架日平均工作阻力呈上升趨勢(shì)，并在31 日達(dá)到峰值。由于31 日施工完最后1 個(gè)循環(huán)后支架未拉移，以便于施工鎖口錨索，空頂距離大、時(shí)間長(zhǎng)，支架工作阻力上升到峰值。說(shuō)明頂板下沉量隨空頂時(shí)間增大而增大，不利于頂板的控制，且推進(jìn)速度降低后，支架頂梁上部直接頂離層后不能充分垮落，基本頂受損傷后裂隙發(fā)育程度大，作用在支架頂梁上的重力越大，支架工作阻力逐漸增大[4-7]。

5 結(jié)論

（1）掘進(jìn)過(guò)程中采取迎頭大直徑鉆孔超前卸壓和幫部大直徑鉆孔卸壓將局部高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到煤體深部，造成煤體局部破裂，降低了強(qiáng)度和彈性能，使煤體前方一定范圍成為安全區(qū)，起到了安全掘進(jìn)的效果。

（2）長(zhǎng)期停產(chǎn)的工作面直接頂會(huì)出現(xiàn)離層，基本頂裂隙充分發(fā)育受損變形后形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，工作面推采初期，基本頂懸臂長(zhǎng)度短，未達(dá)到破斷極限，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)到的微震事件較少，隨推采距離增加，基本頂懸臂長(zhǎng)度增加開(kāi)始出現(xiàn)破斷，微震事件數(shù)增加，并出現(xiàn)大能量事件。

（3）采用綜掘機(jī)掘回撤通道，回撤通道頂板一側(cè)受煤壁支撐，一側(cè)受支架支撐，類似正常巷道受力，對(duì)頂板起到有效的保護(hù)作用。

（4）沖擊地壓工作面縮面技術(shù)的應(yīng)用，有效解決了受沖擊后工作面設(shè)備安全回撤的問(wèn)題，避免了設(shè)備的丟失，實(shí)現(xiàn)了安全推采，為受沖擊地壓影響的新建礦井提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。