大興礦孤島工作面沖擊地壓綜合防治技術

尚 海 張朝川

（鐵法煤業（集團）大興煤礦，遼寧 調兵山 112700）

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測預警方案和卸壓解危、安全防護以及加強巷道支護等系列防治措施，保證了工作面安全回采，并總結出了大興礦沖擊地壓防治的寶貴經驗，也查找出了沖擊地壓防治方面的不足，為后續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 號煤層南二采區中部，東鄰902 采空區，西鄰905 采空區，之間煤柱均為8 米；南部為未采動區；北部為采區煤柱，因而形成了孤島工作面，該面上鄰7-2 煤層，北部未采動,南部為南五717、南五719 上采空區。

傳統“121 工法”技術體系內南二903 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。

圖1 大興礦南二903 孤島工作面布置圖

2 沖擊危險防治技術方案

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踐與摸索，大興礦確立了防沖 “15336”工作體系，即“一面一策一評價”的“1”要求；防沖工程的實施具有設計、措施、施工負責人、驗收人、工程標識等5 項；強卸壓、強支護、強監測等3 項強化；回采作業限時、限員、限強度等3限；防沖隱患治理做到排查、記錄、處罰、整改、驗收、通報等6 項跟蹤，確保防沖工作能夠扎實推進。

2.2 工作面沖擊危險性監測方法

采用鉆屑法、YDD16煤巖動力災害聲電檢測儀檢測、KJ24 頂板動態無線監測系統進行局部沖擊危險性預測，采取SOS 微震監測系統對工作面進行區域監測預警。

2.2.1 鉆屑法檢測

鉆屑法檢測孔布置方案，工作面前方90m 以內巷道實體煤側施工取屑鉆孔。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。

對于劃分的中等及以上危險區域每2 天實施一次；對弱危險區域每3 天實施一次。對每米鉆屑量進行稱重并觀察打鉆過程中是否發生動力現象，鉆屑臨界值為4.5kg/m，每米鉆屑值達到或超過4.5kg/m 認定有沖擊危險，必須停止作業采取卸壓解危措施。南二903 工作面全年進行取屑檢測92 次，均無超過臨界指標的情況。

2.2.2 YDD16 煤巖動力災害聲電檢測儀局部監測

該儀器利用電磁輻射和聲發射數值的變化趨勢，判定工作面的沖擊危險性。首先經過1 個月的數據收集進行對比試驗，采用模糊數學的方法確定南二903工作面的聲發射和電磁輻射的臨界指標，電磁輻射臨界指標為54.5mv，聲發射臨界值指標為423.2mv。在兩順進行指標測試，距工作面10m 開始在工作面軟幫沿走向方向布置12個測點，測點間距10m，兩順各12個點。作為鉆屑法的輔助預測，確定工作面沖擊危險性的變化趨勢。

2.2.3 KJ24 頂板動態無線監測系統局部監測

該系統于2019 年2 月正式在南二903 工作面投入使用，用于監測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力變化，以判定工作面危險性作為主要依據。

2.2.4 SOS 微震系統區域監測

SOS 微震監測系統于2018 年6 月在南二903 工作面投入使用，工作面采用微震監測法進行區域監測，對微震信號進行實時、動態監測，并確定微震發生的時間、能量及三維空間坐標等參數。通過對微震發生的時間、能量、震源深度、定位位置、微震頻次的記錄進行分析、比對，分析判斷發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測到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：達到100J 的4 次，達到101J 的113 次，達到102J 的663 次），能量達到103J 的622 次，能量達到104J 的24 次，能量達到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，發生在超前工作面的巷道一方面是由于受采動影響，另一方面是受到工作面“見方”影響，針對這類微震事件，主要采取施工卸壓爆破鉆孔進行爆破卸壓，采取鉆屑法進行驗證其措施的有效性，對于發生在采空區的微震事件，主要是由于采空區頂板跨落造成的能量釋放，針對此類情況，主要采取加密預測，保證各項指標均在臨界值以下，方可繼續回采。

2.3 局部卸壓與降低應力集中

為預防大興礦南二903 孤島工作面動力災害，研究決定采取多種卸壓措施進行綜合防治。

2.3.1 巷道幫部大直徑鉆孔卸壓

鑒于南二903 工作面靜載應力水平較高，易發生強動力顯現，特將大直徑鉆孔在兩巷的強沖擊危險區域加密布置，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，與原卸壓孔交錯布置，運、回順在工作面安裝前共計施工大直徑卸壓鉆孔226 個，共計施工4520m。

2.3.2 煤體爆破卸壓

在工作面“見方”前后、三角煤柱區域、斷層附近、工作面縮面期間、應力集中區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，用黃泥進行封孔，封孔長度5m。工作面兩順共計施工爆破卸壓鉆孔135 個，其中運順施工爆破卸壓鉆孔如圖2 所示。

圖2 工作面巷道兩幫卸壓爆破鉆孔布置

2.3.3 工作面頂板深孔預裂

南二903 工作面每回采30～35m，正好處于來壓周期壓范圍內，在工作面支架間頂板施工頂板預裂鉆孔，運順施工位置開始在工作面距離運順三角點距離10m 處，回順施工位置開始在工作面距離回順三角點距離10m 處每個支架架間施工一個，運、回順各施工12 個，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。根據工作面推進情況，每周施工一次，保證了工作面采空區頂板的順利冒落，減少了大能量微震事件的發生。從2019 年5 月開始共計施工頂板預裂鉆孔23 次，鉆孔276 個，總計工程量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，還能降低存儲彈性能量的能力。因此，采取此方法可降低發生沖擊地壓的危險。

南二采區9 煤層煤體較硬，在完成浸水性試驗后，根據煤體的堅固性系數確定每個鉆孔超前工作面的注水時間和停止時間，保證有效性。根據大興煤礦防突實驗室測定的9 煤層堅固性系數f 值1.3～1.61，并參見表1，確定每個鉆孔開始注水時間為距離工作面40m時，停止注水時間為鉆孔距離工作面10m 時。

表1 合理注水區域選擇參考表

采用注水軟化煤體方案，注水孔布置及施工技術要點：一是在運順采煤幫側施工注水孔，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 以內在運順上幫煤體內布置注水孔，參數為：孔距12m，孔徑Φ114mm，孔深30、50、90m，鉆孔與運順煤壁垂直，沿煤層傾向布置，使用ZDY3200L 進行施工。“兩堵一注”帶壓封孔器封孔，封孔長度不小于10m；三是使用高壓注水泵注水，注水壓力不小于12MPa，當注水壓力降至4MPa 以下時或煤體出現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 運順共計施工高壓注水鉆孔62 個，總注水量為5613m3。

3 安全儲備配套措施

3.1 強支護方式

增加南二903 工作面超前支護段長度，由原來的25m 增加至超前200m 布置替棚支架，南二903 回順安設替棚支架27 架，超前支護長度為205m，南二903運順安設替棚支架25m，超前支護長度為207m。保障了超前支護段人員的作業安全。

3.2 強限員措施

工作面運、回順口設置防沖管理站、管理站備有防護服、防沖頭盔，人員進入時必須穿戴好防護裝備。防沖管理站由生產單位安排專人發放沖擊危險區域準入卡片，憑證進入。工作面生產期間，兩順超前工作面200m 范圍內嚴禁人員進入、通過、作業，其他作業地點合計限員16 人，工作面檢修期間限員40 人。

3.3 限制回采速度

南二903 工作面嚴格控制推進速度，減少了由于開采強度大而造成微震事件的集中，降低了開采強度，規定每天推進4 刀，并保證勻速推進，白班不生產，四點班、零點班各采2 刀，并根據微震數據變化情況及時調整刀數。

4 結語

在采區設計和進行采掘布局時，要以現代“110 工法”技術體系內核心理論為指導，避免孤島開采，并保證采止線對齊，減少人為因素增加工作面的開采風險和開采難度。

在嚴格執行各項防沖措施的同時，必須保證強限員、強支護落實到位，真正意義上做到“有震無災、有沖無傷、可防可控”。

大興礦南二903 孤島工作面開采實踐，以沖擊地壓強度弱化減沖原理為指導，實施煤層高壓注水、大直徑鉆孔卸壓、煤礦頂板預裂等預防和解危技術措施，降低工作面沖擊地壓風險，保證了工作面安全回采，效果良好。