深部特厚堅硬頂板綜采工作面沖擊地壓防治技術研究

2022-03-28 23:25:35郝旭東

山西能源學院學報 2022年1期

郝旭東

【摘要】文章針對深部開采造成的沖擊地壓威脅礦井安全生產的問題，以大興煤礦2北206工作面為研究對象，采用理論分析和現場實測的研究方法探究了工作面回采期間沖擊地壓分區、治理措施和效果。研究結果表明：（1）2北206工作面回采期間共存在7個弱沖擊危險區;（2）提出了大直徑鉆孔卸壓、煤層超前注水和底煤卸壓爆破的聯合解危卸壓措施;（3）現場觀測結果表明：采用上述解危卸壓措施后，巷道淺基點和深基點最大應力監測值分別為7.24 MPa和6.08 MPa，工作面回采期間圍巖活動強度較低，超前支承壓力較小，解危卸壓效果良好。此研究為類似工程地質條件礦井沖擊地壓防治提供了參考。

【關鍵詞】沖擊地壓;多因素耦合;區域劃分;卸壓措施

【中圖分類號】 TD324 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2022）01-0015-03

隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭，我國煤炭開采逐年向深部拓展。但是，隨著采深的增大，且特厚堅硬頂板條件下，沖擊地壓危險性顯著增強，嚴重制約了沖擊地壓礦井的安全高效生產。如何降低沖擊地壓危險，成為科研人員和礦山科技工作者關注的焦點問題。對此，張坤等通過對深部厚煤層沖擊地壓形成機理的分析，提出了一種深埋堅硬頂板厚煤層沖擊地壓的多因素耦合監測及防治方法。陳志昂采用深孔爆破技術有效防治了耿村礦13230工作面深埋堅硬頂板特厚煤層沖擊地壓。李亞賓對門克慶煤礦大埋深厚煤層進行了沖擊危險指數評價和分區，針對不同區域的沖擊地壓制定了相應的解危卸壓措施。

基于上述研究成果，本文以大興煤礦2北206工作面為工程背景，對深部特厚堅硬頂板工作面回采期間沖擊地壓分區及防治技術進行研究，以期為類似工程地質條件礦井沖擊地壓防治提供借鑒。

1工程背景

1.1工程概況

大興煤礦2北206工作面位于2#煤北翼采區，西鄰2北202工作面，北靠北翼采區軌道下山，南鄰F3斷層，東鄰2北208工作面（設計）。工作面煤層平均厚度4.0m，平均傾角22°，平均埋深660.5m，煤層賦存穩定，煤層頂底板情況如表1所示。

1.2工程問題

2北206工作面煤層平均埋深為660.5m，最大埋深為727.8m，處于沖擊地壓危險指數中低階段，具備了沖擊地壓發生的深度條件。工作面頂板存在厚度超過10m的細砂巖，平均抗壓強度為116MPa，屬中等穩定、堅硬巖層，該巖層的斷裂、運動易誘發礦震、沖擊地壓等動力災害。此外，2北206工作面范圍內斷層不發育，但工作面南部靠近F3斷層，存在斷層誘發沖擊地壓危險的可能性。因此，針對影響工作面沖擊危險的因素，制定合理有效的卸壓解危措施，可降低2北206工作面沖擊地壓發生的危險性，為工作面安全生產提供保障。

2工作面沖擊危險因素分析及危險區域劃分

影響2北206工作面沖擊地壓危險的因素主要有：巷道交叉、埋深、斷層、覆巖運動和工作面停采線等。根據上述因素對2北206工作面沖擊危險進行分級和分區，并采用多因素耦合法對各影響因素的危險區域位置和危險等級疊加，最終確定工作面采掘期間的沖擊地壓危險區域及等級。

2.1覆巖運動影響區

基本頂初次破斷階段。2#煤偽頂為0.5～2.5m厚的泥巖，直接頂為30.9m厚的泥鈣質膠結細砂巖，局部為泥巖夾層，老頂為16.2m厚的粗砂巖。工作面基本頂初次垮落引發強礦壓顯現，加之煤層強度高，極易引發沖擊動力顯現和較大的震動發生。由于偽頂和直接頂垮落后采空區充填密實，礦壓顯現不強烈。由相鄰2北202工作面礦壓觀測結果可知，初次來壓步距約為26m，周期來壓步距約為11m。受到工作面開切眼傾斜和調采等影響，2北206工作面將分段來壓，靠近運輸巷的最上段首先來壓，且來壓步距將比正常工作面增長，然后分段來壓到達最下端。因分段來壓使得來壓范圍減小、來壓強度降低，但下端（材料巷附近）初次來壓時，可能和上端（運輸巷附近）周期來壓重疊。因此，基本頂初次來壓前后，將軌道順槽（材料巷）距切眼26m，運輸順槽距切眼26m處的20m范圍的沖擊危險等級均劃為弱沖擊危險。

工作面“一次見方”階段。若工作面頂板存在硬厚巖層且采深較大，工作面初采期間，由于采空區面積較小，頂板硬厚巖層運動有限，頂板結構整體穩定。當工作面推進長度與工作面長度相同時，工作面處于“一次見方”階段，此時工作面頂板巖層將發生劇烈運動。2北206工作面推進約110m后，工作面進入“一次見方”階段。在工作面“一次見方”階段，采空區頂板巖層受力發生變化，采場支承壓力增大，頂板運動劇烈，易產生沖擊事故，故將運輸巷及材料巷“見方”前60m、后20m區域劃為弱沖擊危險區域。

2.2斷層危險區

2北206切眼受到多條斷層的影響，雖然斷層落差較小，但巷道掘進的超前支撐壓力與斷層的側向支撐壓力疊加，會使得巷道在接近斷層的過程中壓力增大。此外，2北206切眼靠近F3斷層，存在斷層誘發沖擊地壓危險的可能性。故將切眼全長劃為弱沖擊危險區域。

2.3巷道交叉及停采線影響區

停采線影響區及在巷道轉彎、交叉位置容易形成應力集中，產生大量震動，是容易發生沖擊地壓事故的區域。據此將停采線影響區及巷道轉彎、交叉處劃為弱沖擊危險區，此區域包括的巷道主要有北翼采區專用回風巷、2北206材聯以及2北202材聯等。

2.4回采期間沖擊危險多因素耦合結果

通過對上述沖擊危險區的多因素耦合，共得到2北206工作面回采期間弱沖擊危險區7個，分別為：2北206運輸巷（從切眼至停采線，危險區長度420m）、2北206運輸巷（從停采線至北翼采區皮帶下山，危險區長度142m）、2北206材料巷（從切眼至停采線，危險區長度487m）、2北206材料巷（從停采線至北翼采區皮帶下山，危險區長度142m）、2北206材聯和第一聯絡巷（軌道和皮帶下山與材料巷間的聯絡巷道）、北翼采區專用回風巷（材料巷與軌道巷之間）和2北206切眼（切眼全長）。

3工作面沖擊地壓解危卸壓措施

3.1大直徑鉆孔卸壓

回采巷道。根據沖擊危險區劃分，2北206回采巷道為弱沖擊危險，在巷道回采兩幫每間距3m打一個卸壓孔，鉆孔深16m，孔徑110m，鉆孔距底板0.5～1.5m;卸壓鉆孔從里到外施工到停采線結束;回采前，從切眼開始往外至少先施工完200m鉆孔，以保證回采后鉆孔施工超前工作面200m以上。

回采工作面。正?；夭善陂g，回采工作面不進行卸壓施工。如果回采工作面煤粉監測指標超限，或微震監測出現預警，或礦壓顯現強烈，并經確認有沖擊危險時，應進行解危卸壓，鉆孔布置及參數同回采巷道。

3.2煤層超前注水

2北206材料巷、運輸巷各距切眼20m處開始布置注水鉆孔，鉆孔沿煤層傾斜方向施工，鉆孔角度與煤層傾角一致，鉆孔深度為35m，孔間距為15m，距切眼20m處施工的鉆孔為1號鉆孔，依次往外施工鉆孔并編號，直到停采線為止。

超前工作面20m開始注水，封孔材料為速凝劑，封孔長度為2m，注水時間為24h。要安裝壓力表和注水量表，注水壓力不低于2MPa，噸煤注水量為0.02m3/t。

3.3底煤卸壓爆破

雖然巷道掘進期間已對底煤厚度超過1m的區域進行底板卸壓，但工作面回采期間巷道底板因受超前支承應力影響而可能發生應力集中，進而導致沖擊危險發生，故應在工作面回采期間對底煤進行卸壓處理，以釋放底板能量，降低沖擊地壓發生風險。具體措施為：在沖擊危險區前后50m且有底煤區域內施工底板卸壓爆破鉆孔，孔徑為42mm，孔深至底板巖層，孔間距為3m，封孔方式為全長封孔，裝藥方式為單孔1～2支礦用炸藥，爆破方式為單孔單次起爆，并視爆破效果進行裝藥量增減，底煤卸壓爆破鉆孔布置情況見圖1。

4現場應用

根據大興煤礦2北206工作面沖擊危險區域劃分結果，對具有沖擊危險區域進行大直徑鉆孔卸壓、煤層超前注水和底煤卸壓爆破的解危卸壓措施后，對工作面回采期間超前應力進行觀測和分析，超前應力測點布置如圖2所示。

圖3為2北206材料巷的某一次超前支承壓力觀測數據。由圖3可知，淺基點監測到的最大應力為7.24MPa，深基點監測到的最大應力為6.08MPa，二者均低于黃色預警值。由此可見，采用上述解危卸壓措施后，工作面回采期間圍巖活動強度較低，超前支承壓力較小，解危卸壓效果良好。

5結語

文章對2北206工作面沖擊地壓影響因素進行分析，并進行了多因素耦合評價，共得到2北206工作面回采期間有7個弱沖擊危險區。

針對2北206工作面沖擊危險區提出了大直徑鉆孔卸壓、煤層超前注水和底煤卸壓爆破的聯合解危卸壓措施

采用上述解危卸壓措施后，工作面回采期間圍巖活動強度較低，超前支承壓力較小，解危卸壓效果良好。

【參考文獻】

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