大興礦孤島工作面沖擊地壓綜合防治技術(shù)

尚海 張朝川

摘 要 針對(duì)傳統(tǒng)“121工法”技術(shù)體系內(nèi)大興礦南二903孤島工作面厚硬頂板、火成巖、斷層、應(yīng)力集中極易誘發(fā)沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)，研究制定和實(shí)施了集監(jiān)測(cè)方法、鉆孔卸壓、爆破卸壓、頂板預(yù)裂等措施為一體的綜合防治技術(shù)方案，配套強(qiáng)支護(hù)、強(qiáng)限員和限制回采速度等措施，杜絕動(dòng)力災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞 孤島工作面 沖擊地壓 爆破卸壓 綜合防治技術(shù) 限制回采速度

中圖分類號(hào)：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）06-0040-03

1 孤島工作面概況

自2018年6月大興礦被確定為沖擊地壓礦井以后，該礦就迅速進(jìn)入防治沖擊地壓工作的起步階段。2019年2月，該礦南二903孤島工作面開始回采，回采過程逐步確定和摸索出監(jiān)測(cè)預(yù)警方案和卸壓解危、安全防護(hù)以及加強(qiáng)巷道支護(hù)等系列防治措施，保證了工作面安全回采，并總結(jié)出了大興礦沖擊地壓防治的寶貴經(jīng)驗(yàn)，也查找出了沖擊地壓防治方面的不足，為后續(xù)工作面的安全開采提供借鑒。

大興礦南二903孤島工作面位于9號(hào)煤層南二采區(qū)中部，東鄰902采空區(qū)，西鄰905采空區(qū)，之間煤柱均為8米;南部為未采動(dòng)區(qū);北部為采區(qū)煤柱，因而形成了孤島工作面，該面上鄰7-2煤層，北部未采動(dòng)，南部為南五717、南五719上采空區(qū)。

傳統(tǒng)“121工法”技術(shù)體系內(nèi)南二903孤島工作面，大面走向長580m，傾斜寬178m;收縮面走向長302m，傾斜寬95m， 903工作面位置，參見圖1。

2 沖擊危險(xiǎn)防治技術(shù)方案

2.1 沖擊地壓綜合防治體系

通過2018～2019年兩年的防沖工作實(shí)踐與摸索，大興礦確立了防沖 “15336”工作體系，即“一面一策一評(píng)價(jià)”的“1”要求;防沖工程的實(shí)施具有設(shè)計(jì)、措施、施工負(fù)責(zé)人、驗(yàn)收人、工程標(biāo)識(shí)等5項(xiàng);強(qiáng)卸壓、強(qiáng)支護(hù)、強(qiáng)監(jiān)測(cè)等3項(xiàng)強(qiáng)化;回采作業(yè)限時(shí)、限員、限強(qiáng)度等3限;防沖隱患治理做到排查、記錄、處罰、整改、驗(yàn)收、通報(bào)等6項(xiàng)跟蹤，確保防沖工作能夠扎實(shí)推進(jìn)。

2.2 工作面沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)方法

采用鉆屑法、YDD16煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲電檢測(cè)儀檢測(cè)、KJ24頂板動(dòng)態(tài)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行局部沖擊危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，采取SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測(cè)預(yù)警。

2.2.1 鉆屑法檢測(cè)

鉆屑法檢測(cè)孔布置方案，工作面前方90m以內(nèi)巷道實(shí)體煤側(cè)施工取屑鉆孔。鉆孔直徑42mm，開孔高度為距離底板0.5～1.5m，孔深10m;巷道幫部間距15m。鉆孔方向與煤壁垂直，平行于煤層。

對(duì)于劃分的中等及以上危險(xiǎn)區(qū)域每2天實(shí)施一次;對(duì)弱危險(xiǎn)區(qū)域每3天實(shí)施一次。對(duì)每米鉆屑量進(jìn)行稱重并觀察打鉆過程中是否發(fā)生動(dòng)力現(xiàn)象，鉆屑臨界值為4.5kg/m，每米鉆屑值達(dá)到或超過4.5kg/m認(rèn)定有沖擊危險(xiǎn)，必須停止作業(yè)采取卸壓解危措施。南二903工作面全年進(jìn)行取屑檢測(cè)92次，均無超過臨界指標(biāo)的情況。

2.2.2 YDD16煤巖動(dòng)力災(zāi)害聲電檢測(cè)儀局部監(jiān)測(cè)

該儀器利用電磁輻射和聲發(fā)射數(shù)值的變化趨勢(shì)，判定工作面的沖擊危險(xiǎn)性。首先經(jīng)過1個(gè)月的數(shù)據(jù)收集進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，采用模糊數(shù)學(xué)的方法確定南二903工作面的聲發(fā)射和電磁輻射的臨界指標(biāo)，電磁輻射臨界指標(biāo)為54.5mv，聲發(fā)射臨界值指標(biāo)為423.2mv。在兩順進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，距工作面10m開始在工作面軟幫沿走向方向布置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距10m，兩順各12個(gè)點(diǎn)。作為鉆屑法的輔助預(yù)測(cè)，確定工作面沖擊危險(xiǎn)性的變化趨勢(shì)。

2.2.3 KJ24頂板動(dòng)態(tài)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)局部監(jiān)測(cè)

該系統(tǒng)于2019年2月正式在南二903工作面投入使用，用于監(jiān)測(cè)工作面支架支撐壓力、工作面前方錨桿、錨索的受力情況、頂板離層情況以及前方煤體的應(yīng)力變化，以判定工作面危險(xiǎn)性作為主要依據(jù)。

2.2.4 SOS微震系統(tǒng)區(qū)域監(jiān)測(cè)

SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2018年6月在南二903工作面投入使用，工作面采用微震監(jiān)測(cè)法進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測(cè)，對(duì)微震信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并確定微震發(fā)生的時(shí)間、能量及三維空間坐標(biāo)等參數(shù)。通過對(duì)微震發(fā)生的時(shí)間、能量、震源深度、定位位置、微震頻次的記錄進(jìn)行分析、比對(duì)，分析判斷發(fā)生沖擊地壓的可能性。

自南二903工作面開始回采至采終共監(jiān)測(cè)到1427次微震事件，最大能量為3.03E+06J，總能量為6.06E+06J，其中能量小于103J的780次（注：達(dá)到100J的4次，達(dá)到101J的113次，達(dá)到102J的663次），能量達(dá)到103J的622次，能量達(dá)到104J的24次，能量達(dá)到106J的1次。從整體震源分布來看，震源集中在超前工作面200m的巷道和采空區(qū)，發(fā)生在超前工作面的巷道一方面是由于受采動(dòng)影響，另一方面是受到工作面“見方”影響，針對(duì)這類微震事件，主要采取施工卸壓爆破鉆孔進(jìn)行爆破卸壓，采取鉆屑法進(jìn)行驗(yàn)證其措施的有效性，對(duì)于發(fā)生在采空區(qū)的微震事件，主要是由于采空區(qū)頂板跨落造成的能量釋放，針對(duì)此類情況，主要采取加密預(yù)測(cè)，保證各項(xiàng)指標(biāo)均在臨界值以下，方可繼續(xù)回采。

2.3 局部卸壓與降低應(yīng)力集中

為預(yù)防大興礦南二903孤島工作面動(dòng)力災(zāi)害，研究決定采取多種卸壓措施進(jìn)行綜合防治。

2.3.1 巷道幫部大直徑鉆孔卸壓

鑒于南二903工作面靜載應(yīng)力水平較高，易發(fā)生強(qiáng)動(dòng)力顯現(xiàn)，特將大直徑鉆孔在兩巷的強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域加密布置，鉆孔直徑114mm，孔間距為2m，鉆孔深度20 m，平行煤層方向，直線布置，與原卸壓孔交錯(cuò)布置，運(yùn)、回順在工作面安裝前共計(jì)施工大直徑卸壓鉆孔226個(gè)，共計(jì)施工4520m。

2.3.2 煤體爆破卸壓

在工作面“見方”前后、三角煤柱區(qū)域、斷層附近、工作面縮面期間、應(yīng)力集中區(qū)域施工卸壓爆破鉆孔，孔徑Ф42mm，孔間距5m，孔深10m，單孔裝藥量為3.0kg，用黃泥進(jìn)行封孔，封孔長度5m。工作面兩順共計(jì)施工爆破卸壓鉆孔135個(gè)，其中運(yùn)順施工爆破卸壓鉆孔如圖2所示。

2.3.3 工作面頂板深孔預(yù)裂

南二903工作面每回采30～35m，正好處于來壓周期壓范圍內(nèi)，在工作面支架間頂板施工頂板預(yù)裂鉆孔，運(yùn)順施工位置開始在工作面距離運(yùn)順三角點(diǎn)距離10m處，回順施工位置開始在工作面距離回順三角點(diǎn)距離10m處每個(gè)支架架間施工一個(gè)，運(yùn)、回順各施工12個(gè)，鉆孔深度12m，鉆孔施工角度與煤層層面夾角為70°，垂直方向投影不小于11.2m。根據(jù)工作面推進(jìn)情況，每周施工一次，保證了工作面采空區(qū)頂板的順利冒落，減少了大能量微震事件的發(fā)生。從2019年5月開始共計(jì)施工頂板預(yù)裂鉆孔23次，鉆孔276個(gè)，總計(jì)工程量3312m。

2.3.4 煤體高壓注水

煤體注水不但能提高其本身的塑性，還能降低存儲(chǔ)彈性能量的能力。因此，采取此方法可降低發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)。

南二采區(qū)9煤層煤體較硬，在完成浸水性試驗(yàn)后，根據(jù)煤體的堅(jiān)固性系數(shù)確定每個(gè)鉆孔超前工作面的注水時(shí)間和停止時(shí)間，保證有效性。根據(jù)大興煤礦防突實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的9煤層堅(jiān)固性系數(shù)f值1.3～1.61，并參見表1，確定每個(gè)鉆孔開始注水時(shí)間為距離工作面40m時(shí)，停止注水時(shí)間為鉆孔距離工作面10m時(shí)。

采用注水軟化煤體方案，注水孔布置及施工技術(shù)要點(diǎn)：一是在運(yùn)順采煤幫側(cè)施工注水孔，增加煤體塑性;二是從開采前切眼開始，開采后超前工作面200m以內(nèi)在運(yùn)順上幫煤體內(nèi)布置注水孔，參數(shù)為：孔距12m，孔徑Φ114mm，孔深30、50、90m，鉆孔與運(yùn)順煤壁垂直，沿煤層傾向布置，使用ZDY3200L進(jìn)行施工?！皟啥乱蛔ⅰ睅悍饪灼鞣饪祝饪组L度不小于10m;三是使用高壓注水泵注水，注水壓力不小于12MPa，當(dāng)注水壓力降至4MPa以下時(shí)或煤體出現(xiàn)滲水后改為靜壓注水，以保證煤體含水量增量大于2%。

南二903運(yùn)順共計(jì)施工高壓注水鉆孔62個(gè)，總注水量為5613m3。

3 安全儲(chǔ)備配套措施

3.1 強(qiáng)支護(hù)方式

增加南二903工作面超前支護(hù)段長度，由原來的25m增加至超前200m布置替棚支架，南二903回順安設(shè)替棚支架27架，超前支護(hù)長度為205m，南二903運(yùn)順安設(shè)替棚支架25m，超前支護(hù)長度為207m。保障了超前支護(hù)段人員的作業(yè)安全。

3.2 強(qiáng)限員措施

工作面運(yùn)、回順口設(shè)置防沖管理站、管理站備有防護(hù)服、防沖頭盔，人員進(jìn)入時(shí)必須穿戴好防護(hù)裝備。防沖管理站由生產(chǎn)單位安排專人發(fā)放沖擊危險(xiǎn)區(qū)域準(zhǔn)入卡片，憑證進(jìn)入。工作面生產(chǎn)期間，兩順超前工作面200m范圍內(nèi)嚴(yán)禁人員進(jìn)入、通過、作業(yè)，其他作業(yè)地點(diǎn)合計(jì)限員16人，工作面檢修期間限員40人。

3.3 限制回采速度

南二903工作面嚴(yán)格控制推進(jìn)速度，減少了由于開采強(qiáng)度大而造成微震事件的集中，降低了開采強(qiáng)度，規(guī)定每天推進(jìn)4刀，并保證勻速推進(jìn)，白班不生產(chǎn)，四點(diǎn)班、零點(diǎn)班各采2刀，并根據(jù)微震數(shù)據(jù)變化情況及時(shí)調(diào)整刀數(shù)。

4 結(jié)語

在采區(qū)設(shè)計(jì)和進(jìn)行采掘布局時(shí)，要以現(xiàn)代“110工法”技術(shù)體系內(nèi)核心理論為指導(dǎo)，避免孤島開采，并保證采止線對(duì)齊，減少人為因素增加工作面的開采風(fēng)險(xiǎn)和開采難度。

在嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)防沖措施的同時(shí)，必須保證強(qiáng)限員、強(qiáng)支護(hù)落實(shí)到位，真正意義上做到“有震無災(zāi)、有沖無傷、可防可控”。

大興礦南二903孤島工作面開采實(shí)踐，以沖擊地壓強(qiáng)度弱化減沖原理為指導(dǎo)，實(shí)施煤層高壓注水、大直徑鉆孔卸壓、煤礦頂板預(yù)裂等預(yù)防和解危技術(shù)措施，降低工作面沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)，保證了工作面安全回采，效果良好。