沖擊地壓工作面縮面工程實踐及防沖技術應用分析

楊偉民

（中天合創能源有限責任公司門克慶煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017399）

1 工程概況

中天合創門克慶煤礦地處內蒙古烏審旗圖克鎮，井田面積約94.66 km2，產能0.8 Mt/a。井田構造簡單，總體為一向西傾斜的單斜構造，傾向270°左右，地層傾角1°～3°。礦井主采侏羅系中統延安組3-1 煤層，經鑒定3-1 煤層具有強沖擊傾向性，其頂底板具有弱沖擊傾向性。3102 工作面煤厚平均4.75 m，煤層傾角平均2°，普氏系數f=2～3。直接頂以粉砂巖為主，其次為砂質泥巖、泥巖，平均厚2.7 m；老頂為平均厚度18.5 m 的細砂巖；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，東鄰3104工作面（未采），南鄰井田邊界，西鄰3101 面采空區，隔離煤柱35 m。原面長300 m，采高4.75 m，安裝175臺ZY13000/26/55D 型液壓支架，沿3-1 煤底板回采，采用長壁后退式一次采全高綜采。由于原回風巷受沖擊顯現影響，圍巖變形嚴重，難以滿足生產需要，故對工作面實施縮面改造復產工程。

2 沖擊地壓顯現及原因分析

2.1 沖擊地壓顯現事件

工作面回采期間，超前壓力較大，沖擊顯現事件多集中在回風巷超前40 m 范圍，出現鼓幫、頂板下沉、單體損壞、煤塊突出、底鼓等現象。工作面推采至930 m 時，發生最嚴重的沖擊顯現，超前工作面約90 m 范圍出現單體、木垛歪斜；煤柱幫局部煤體潰出、木垛傾倒；巷道嚴重破壞區域范圍約40 m，頂底板最大移近量約2.0 m，最大底鼓量約1.2 m，嚴重破壞區回風斷面縮為原斷面的約三分之一。自沖擊顯現后，工作面無法形成正常的通風系統，工作面停產。

2.2 原因分析

根據震源區域鉆孔可知，煤層上方34.8 m 對應的62 m 厚中粒砂巖為堅硬儲能關鍵層。隨著工作面推采，采空區直接頂充分冒落，裂隙帶逐步向上發育，覆巖離層面積逐漸增大，關鍵層發生彎曲破斷并釋放彈性能量，引起大能量震動，誘發3102工作面回風巷沖擊顯現。同時，3101 與3102 采空區聯合作用，上覆巖層處于運移活躍期，35 m 煤柱支承作用難以與覆巖運動達到平衡狀態[1-3]。

3 縮面方案的制定

根據回采期間微震影響范圍及3-1 煤不同煤柱尺寸應力數值模擬結果，采取新開掘二號回風巷，將回風巷側煤柱由35 m 增加至120 m，面長縮短為214.6 m（拆除127～175#支架）。

主要流程：首先，向采煤方向掘進新二號回風巷，與工作面貫通后，工作面推采13 m 進行掛網上繩工作；完成頂板鋪網后，工作面停采，在支架前方采用綜掘機向原回風巷方向擴刷80 m 長回撤通道；最后，對80 m 范圍內的綜采設備進行回撤，完成縮面工作。如圖1。

圖1 3102 工作面縮面回撤平面圖（m）

4 沖擊地壓防治技術及應用分析

4.1 大直徑鉆孔卸壓

（1）迎頭大直徑鉆孔卸壓。二號回風巷及回撤通道刷擴綜掘施工期間，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，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 新二號回風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，在綜掘機后10 m向迎頭方向施工；② 回撤通道施工前在工作面內煤壁方向每隔3 m 施工孔徑150 mm 的鉆孔，孔間距20 m，提前對回撤通道區域工作面前20 m 的煤體進行卸壓，使回撤通道處在低應力區。

4.2 頂板深孔預裂爆破

為弱化3102 工作面35 m 煤柱區域集聚的高應力，采用深孔爆破對煤柱區老頂進行預裂處理。預裂范圍走向超前工作面25 m，傾向對回風巷留設5 m 預裂保護帶。在機尾（170#）架間施工3 個頂板預裂孔，具體參數見表1。

表1 3102 工作面機尾區域頂板爆破孔參數表

4.3 礦壓監測數據分析

（1）微震分析

自工作面復采至掛網結束，工作面區域共監測到微震事件14 個，其中超過104J 以上事件數2 個。推采第2 個循環時出現2 個事件，能量小于100 J，之后5 d 內均未監測到微震事件。通過施工鋼絲繩固定錨索可知，頂板上方3～4 m 均出現離層。25 日夜班出現100 J以上的事件，且事件位置發生在面前，二號回風巷至機尾段推進距離一致。該段受超前支承壓力影響，直接頂靠上部位巖層有出現提前斷裂現象，后續推采期間支架受直接頂垮落影響工作阻力出現上升，工作面推采進入常規受力狀態，監測到的事件數和能量均增大，見表2。

表2 掛網期間微震事件統計

（2）支架工作阻力分析

工作面推采掛網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，未出現來壓跡象，工作面頂梁上部老頂懸臂長度未達到破斷極限，停采前老頂仍處于穩定狀態。19、20日進行上網施工，工作面處于等壓狀態，由于停產期間直接頂已出現離層并壓實支架頂梁，生產兩個循環后直接頂受擾動充分垮落，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 日開始施工置換區錨索后，平均每天推進1 個循環，工作面支架日平均工作阻力呈上升趨勢，并在31 日達到峰值。由于31 日施工完最后1 個循環后支架未拉移，以便于施工鎖口錨索，空頂距離大、時間長，支架工作阻力上升到峰值。說明頂板下沉量隨空頂時間增大而增大，不利于頂板的控制，且推進速度降低后，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 結論

（1）掘進過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力轉移到煤體深部，造成煤體局部破裂，降低了強度和彈性能，使煤體前方一定范圍成為安全區，起到了安全掘進的效果。

（2）長期停產的工作面直接頂會出現離層，基本頂裂隙充分發育受損變形后形成穩定結構，工作面推采初期，基本頂懸臂長度短，未達到破斷極限，對應監測到的微震事件較少，隨推采距離增加，基本頂懸臂長度增加開始出現破斷，微震事件數增加，并出現大能量事件。

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

（4）沖擊地壓工作面縮面技術的應用，有效解決了受沖擊后工作面設備安全回撤的問題，避免了設備的丟失，實現了安全推采，為受沖擊地壓影響的新建礦井提供了寶貴經驗。