沖擊地壓礦井綜放工作面過斷層期間安全技術研究

公為梅，王緒勝，秦 鵬

（山東省天安礦業集團有限公司，山東 曲阜 273100）

1 概述

星村煤礦3306工作面為綜采放頂煤工作面，兩順槽布置設計為軌道順槽進風、運料；運輸順槽回風、煤流運輸的方式；工作面現為條帶開采孤島工作面，左側為已開采的3302工作面，右側為已開采的3308工作面。

工作面在回采時需要穿過多條斷層，總體構造為單斜構造形態，為局部發育小幅的緩波狀褶曲。該工作面煤層走向北30°～40°西，傾向北50°～60°東，傾角3°～15°，平均11°。工作面兩順槽和外切眼揭露落差大于1.0 m的斷層共9條，軌順2條，運順7條。其產狀及位置見表1和圖1。

圖1 3306工作面斷層示意圖

根據上表可知大部分斷層落差小，延展距離短，對工作面影響較小。SF101斷層橫穿整個工作面，對回采的安全因素影響大，同時該斷層導致工作面局部巖石破碎及丟煤嚴重。工作面過該斷層時頂板控制困難、應力集中明顯、自然發火危險程度上升。

如何保證工作面過斷層期間的正常回采，特別是SF101斷層回采過程中的風險管控成為重中之重。

2 過斷層期間安全技術措施研究

星村煤礦三煤經資質單位鑒定為自然煤層、強沖擊傾向性煤層。工作面過斷層期間主要是頂板管理、沖擊地壓防治、防滅火管理三大塊。隨工作面的回采及時間的推移，斷層區域應力重新分布與積聚，斷層構造的存在使構造應力明顯高于正常應力，且不同區域構造應力大小有較大差異，在斷層構造集中區域構造應力對沖擊地壓有顯著影響，給防沖工作帶來挑戰；工作面過斷層期間回采速度慢，采空區遺煤多，給防滅火工作同樣帶來巨大挑戰。如何采取有效安全的措施管控這三項風險確保工作面正常安全回采為管理重點。

2.1 頂板管理

過SF101斷層主要采取人工打眼爆破與無聲破碎劑的方式對頂板風險進行管控。

1）人工打眼爆破:使用風鉆打眼，φ32 mm鉆頭，濕式打眼。具體根據巖石的節理、裂隙發育情況及巖石的硬度確定，但炮眼深度不小于0.8 m，眼間距不小于0.6 m，排距不小于0.6 m。炮眼布置間距、裝藥量、打設角度及眼深（不超過2.6 m）等可根據工作面巖性條件做適當調整。可根據現場實際情況，采用三花眼或單打底眼。爆破用安全等級二級的煤礦許用水膠炸藥，炸藥直徑φ27 mm，長度400 mm，藥卷重量300 g，煤礦許用毫秒延期電雷管，FD200型煤礦用電容式發爆器起爆，正向裝藥，封泥長度不得小于炮眼長度的1/2，聯線方式為串聯，一次起爆。一次起爆眼數不超過80發。

圖2 炮眼布置圖

2）無聲破碎劑：采用風鉆配合直徑為φ32/42鉆頭，在需要破碎的巖石處理處進行打眼，具體打眼布置根據巖石的節理、裂隙發育情況及巖石的硬度確定。打眼完畢后，將無聲破碎劑經過加水按照比例在容器（塑料桶）內攪拌，攪拌后向鉆孔內注入無聲破碎劑，各個鉆孔內全部注入無聲破碎劑。將盛一定量水的塑料桶與無聲破碎劑按照重量比為1∶3進行配比，用木棍將倒入容器中的破碎劑拌成具有流動性的漿體。攪拌注入鉆孔內的無聲破碎劑漿體，促使其在10～20 min時間內注入完畢，不然將降低其充填流動性及脹裂效果。將漿體倒入孔內后,并在孔中采用鐵絲攪動，以確保鉆孔中沒有氣孔。將施工的各個鉆孔全部注入無聲破碎劑后，在孔口使用廢舊皮帶進行遮擋。

2.2 沖擊地壓管理

1）防治總則：采用多因素耦合法對工作面斷層區域沖擊危險進行分級分區預測。根據工作面各主要因素影響程度和范圍的分析結果進行耦合疊加，獲得多因素耦合影響下的工作面沖擊危險分級分區預測結果，進而劃分沖擊危險區域（包括無沖擊危險、弱沖擊危險、中等沖擊危險、強沖擊危險4種等級的危險區域劃分）。3個及以上沖擊危險影響因素疊加時，定為“強”等級。該工作面斷層回采區域受埋深、斷層及底煤疊加影響，沖擊危險性較高。因此將斷層區域范圍圈定為強沖擊危險。

現行沖擊地壓礦井的管理主要從四個方面考慮，一為減度、二為卸壓、三為支護、四為控人；減度即綜合考慮防火等因素影響降低工作面推進速度，同時根據工作面壓力顯現情況對工作面推進速度進行具體分析及調整，確保防沖和防火安全；卸壓重點對斷層特殊尖滅位置進行卸壓，深孔爆破孔向兩端延伸，輔助底板鉆孔水力卸壓等其他卸壓措施；支護主要是加強運順的頂幫支護，掛設網子的未錨固區域要采取加強支護的措施；控人主要是控制危險區域施工人員，減少作業人員數量，確保發生災害時危險區域施工人員數量盡可能少。

2）加密大直徑鉆孔卸壓及頂板深孔爆破：采取直徑鉆孔φ150 mm進行預防性卸壓。鉆孔深度不小于23 m；鉆孔間距0.8 m±0.1 m；鉆孔水平角度垂直于煤壁。根據斷層的位置，分別在軌順和運順打設深孔爆破孔，對斷層進行定向爆破卸壓。深孔爆破參數根據現場實際情況進行調整，每孔裝90卷煤礦許用二級水膠炸藥，孔間距15 m，裝藥長度12 m；均為正向裝藥，采用FD200型發爆器起爆，一次起爆不超2個孔；炮眼采用水泥藥卷封孔，確保封滿封實。

圖3 爆破卸壓裝藥結構示意圖

圖4 軌道順槽卸壓示意圖

圖5 運輸順槽卸壓示意圖

3）底板鉆孔水力卸壓：由于斷層區域存在底煤對防沖工作帶來較大影響與風險，吸取以往底煤區域沖擊事故教訓，通過使用ZQSJ-140/4.1架柱支撐手持氣動（防突）型鉆機打設鉆孔，鉆孔φ150 mm；底板卸壓鉆孔深度施工至煤層底板巖石處；鉆孔傾角垂直巷道底板（80°～90°）；鉆孔排距3.0 m(±0.3 m)；鉆孔距離兩幫不大于1 000 mm位置各布置一排；當現場由于受外界條件限制時可適當調整鉆孔位置、角度及間距，但必須施工至煤層底板，以現場操作為準；鉆孔施工完畢后實施底煤浸水卸壓技術，按照間距6.0 m，兩幫交錯布置的方式，使用直徑不小于45 mm的PE管進行注水，PE管底端距底板卸壓鉆孔末端不小于1.0 m，外露不小于50 mm，過斷層期間每天早班定期向PE管內注水，以達到濕潤煤體同時減弱沖擊能量的效果。

4）斷層期間能量監測：通過防沖綜合預警系統及微震監測系統監測斷層區域強及弱危險區能量變化情況，精準分析出構造應力區的變化，以便及時調整防沖卸壓措施。利用SOS微震監測系統，對工作面區域進行實時監測，每天進行震源的定位、微震能量的計算、統計等工作，對大能量震動信號進一步進行頻譜分析和現場礦壓顯現情況記錄，判斷礦震的機制以及區域沖擊危險性程度。當鉆屑法監測超標時，人員撤離至超標地點300m范圍以外或就近巖巷段，從鉆屑法監測超標位置向左、右各擴展20m處進行鉆屑法監測。當應力在線監測系統預警后，立即停止作業，撤出危險區域人員，停止生產，巷道執行封閉管理。然后根據現場情況，確保安全的前提下在應力在線監測測點附近10m范圍內施工一鉆屑檢測，確定沖擊危險具體范圍，如鉆屑監測正常，則對預警測點前后各5m采取大直徑鉆孔或煤層爆破等卸壓措施進行卸壓解危。

工作面溜頭向溜尾第10架支架開始，沿工作面每10架設置一條監測線，若在線監測發現監測線上支架阻力長時間未達到初撐力（工作面支架壓力值24～37.5 MPa）或長時間超過額定工作阻力時，要及時檢查支架附近礦壓顯現情況，并將支架阻力調整至正常工作阻力狀態。每日分析觀測支架阻力變化趨勢，結合井下實際礦壓顯現情況，提前做好重點防沖區域的卸壓和加強支護措施。

圖6 工作面測線布置圖

2.3 防滅火管理

1）管路及束管敷設：縮短各類防火措施管路與兩端頭擋墻間距。過斷層期間工作面多出口注漿管鋪設間距50 m左右，該管路向工作面方向延伸長度不小于60 m，每隔9 m設置1個出口；工作面兩端頭隔離墻間距不大于10 m；束管鋪設間距縮短為15 m左右。

2）順槽及端頭處理：安排每天早班及時對工作面兩順槽及兩端頭破碎煤體進行打眼壓注水玻璃凝膠，采樣分析或者現場發現異常情況時三班連續處理。兩端頭漏風區域及破碎遺煤采用噴注LFM充填材料的方法減少采空區漏風。

3）強化注漿注氮工藝：根據三帶劃分結果及氣體分析數據選擇合適的采空區預埋管理不間斷注氮。重點對氧化帶范圍進行強化處理，同時根據氣體分析情況采取連續性注氮或間隔性注氮措施，注氮期間加強采空區氣體分析。

4）高位注漿鉆孔：束管監測采樣分析采空區一氧化碳濃度超過300×10-6且持續上升時，采取其他措施仍無法消除隱患時在兩端頭實施高位注漿鉆孔，注漿鉆孔長度不小于40 m（具體根據束管監測氣體變化情況及時調整），鉆孔開孔位置高于底板2 m，鉆孔直徑51 mm，鉆孔施工完畢后大流量注水玻璃凝膠或阻化泡沫直至隱藏高溫點消除。

5）監測監控及束管管理：加強監測監控及束管監測管理，每天安排專人觀察工作面運順自然發火觀測點一氧化碳傳感器數據，與瓦斯檢查員檢查數據相對比，出現異常及時匯報處理，工作面采空區及回風流、回風隅角采樣周期正常每周不少于6次，出現出現自然發火隱患時每班取樣分析一次。

當束管取樣分析采空區一氧化碳濃度超過300×10-6且持續上升出現乙烯時、回風流一氧化碳濃度超過24×10-6且持續上升時、瓦斯檢查工巡回檢查發現煙霧、架前或架間一氧化碳濃度超過300×10-6，立即對隱患區域采取針對性措施處理，以上情況采取防火措施后有害氣體仍有上升趨勢時，經判定自燃隱患無法治理，立即在兩順槽防火門墻處使用防火門板快速密閉，并使用LFM噴涂料對密閉進行堵漏。然后采取縮風的方式進一步減少采空區漏風，通過預留的管路大流量注氮進行處理，降低采空區氧氣濃度和溫度。

3 效果分析

3.1 安全效益分析

工作面過斷層期間頂板安全，未發生漏頂冒頂事故，頂板支護可靠有效。工作面采空區及回風流一氧化碳濃度處于允許正常范圍內，采空區及回風流未出現一氧化碳濃度超限情況，整體判斷過斷層期間工作面無自然發火風險。根據過斷層期間工作面震動次數及能量顯現，斷層推采期間工作面未發生震動能量超過105焦現象，工作面沖擊地壓風險在可控范圍內，整體判定工作面過斷層期間無沖擊地壓風險。

3.2 經濟效益分析

以上措施的有效應用保證了工作面過斷層期間正常回采，確保了煤炭正常回收，經濟效益顯著。

4 結論

1）針對該工作面過斷層期間的安全風險，采取強化頂板管理、沖擊地壓專項防治及強化防滅火措施是有效的、可行的，針對性的措施可以起到預期的效果。底板鉆孔水力卸壓為卸壓新技術，可以有效的在濕潤煤體的情況下降低煤體沖擊傾向性。高位注漿鉆孔可以有效的解決采空區隱蔽火災，根據采空區三帶分布范圍及距離定向對采空區進行防火處理。

2）綜放工作面過斷層期間不論是沖擊地壓防治還是防滅火防治，頂板的管理為最重要的一個環節，有效的進行頂板管控是必要的。當綜放工作面火災與沖擊地壓風險災害共存時，需要采取不同的管控措施進行綜合管控，特別是斷層等特殊區域應制定行之有效的方案以保證工作面正常安全生產。