煤礦采煤生產(chǎn)過程中沖擊地壓防治技術(shù)

李同勝

（棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）濟(jì)寧七五煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧）

引言

沖擊地壓是煤礦采煤生產(chǎn)過程中常見的災(zāi)害之一，也是世界范圍內(nèi)采煤工程中難以解決的問題，所以如何緩解沖擊地壓災(zāi)害，已經(jīng)成為我國(guó)煤礦采煤生產(chǎn)工程的重要課題。沖擊地壓主要是由煤礦采煤生產(chǎn)所帶來的危險(xiǎn)，因開采活動(dòng)導(dǎo)致煤礦原應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，如果應(yīng)力的再分布達(dá)到巖體破壞臨界值，那么就會(huì)受很多外界因素的影響出現(xiàn)沖擊破壞事故，所以世界各國(guó)很多學(xué)者從沖擊地壓的強(qiáng)度、能量等不同角度，提出了一系列重要理論，本文基于相關(guān)理論以及沖擊地壓的分布機(jī)理，深入研究煤礦采煤生產(chǎn)過程中沖擊地壓防治技術(shù)，為相似煤礦開采事故的預(yù)防工作提供參考。

1 沖擊地壓防治技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 預(yù)測(cè)煤礦工作面沖擊地壓

沖擊地壓是煤礦采煤生產(chǎn)過程中常發(fā)生的一種動(dòng)力災(zāi)害[1]，在實(shí)際的煤礦采煤生產(chǎn)過程中，不僅需要考慮沖擊地壓的預(yù)測(cè)精度，還需綜合考慮預(yù)測(cè)工作的安全性[2]，所以本文引入電磁輻射法對(duì)工作面沖擊地壓進(jìn)行連續(xù)、動(dòng)態(tài)且非接觸性的預(yù)測(cè)。結(jié)合相關(guān)煤礦采煤經(jīng)驗(yàn)，本文選用YHC72 礦用本安型電磁輻射監(jiān)測(cè)儀，對(duì)煤礦綜采工作面的沖擊地壓進(jìn)行預(yù)測(cè)，該監(jiān)測(cè)儀的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 YHC72 礦用本安型電磁輻射監(jiān)測(cè)儀參數(shù)

YHC72 礦用本安型電磁輻射監(jiān)測(cè)儀不僅可以實(shí)現(xiàn)非接觸、定向的沖擊地壓預(yù)測(cè)，而且信號(hào)的采集、儲(chǔ)存、處理等工作僅由該監(jiān)測(cè)儀獨(dú)立完成，有利于煤礦沖擊地壓防治工作。在利用YHC72 礦用本安型電磁輻射監(jiān)測(cè)儀預(yù)測(cè)煤礦采煤生產(chǎn)過程中的沖擊地壓時(shí)[3]，首先利用監(jiān)測(cè)儀對(duì)煤礦工作面全部測(cè)點(diǎn)進(jìn)行電磁輻射檢查，并采集各測(cè)點(diǎn)的電磁輻射數(shù)據(jù)，求出電磁輻射變化的臨界值：

式中，E0表示煤礦綜采工作面電磁輻射強(qiáng)度的臨界值；表示電磁輻射強(qiáng)度的平均水平；M0表示煤礦綜采工作面電磁輻射脈沖數(shù)的臨界值；表示電磁輻射脈沖數(shù)的平均水平；η表示常數(shù)[4]。

1.2 劃定工作面的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域

首先本文通過綜合指數(shù)法對(duì)煤礦綜采工作面沖擊地壓的危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行判定[5]，煤礦自然環(huán)境對(duì)工作面沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)的影響程度計(jì)算公式如下：

式中，P1表示根據(jù)煤礦自然地質(zhì)環(huán)境確定的工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性指數(shù)；Zi、Zimax分別表示煤礦第i 個(gè)自然地質(zhì)環(huán)境因素的實(shí)際沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)與最大指數(shù)值；N 表示煤礦自然地質(zhì)環(huán)境影響因素的數(shù)量。同時(shí)，確定煤礦開采生產(chǎn)對(duì)工作面沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)的影響程度計(jì)算公式如下：

式中，P2表示根據(jù)煤礦采煤生產(chǎn)技術(shù)因素確定的工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性指數(shù)；Si、Simax分別表示煤礦第i個(gè)采煤生產(chǎn)技術(shù)因素的實(shí)際沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)與最大指數(shù)值；n 表示煤礦采煤生產(chǎn)技術(shù)因素的數(shù)量。根據(jù)式（3）與式（4），即可求出煤礦綜采工作面沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)的綜合評(píng)定指數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中，P 表示煤礦綜采工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性綜合指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，取值范圍為[0,1]。本文根據(jù)式（5）所求煤礦工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分，如表2 所示。

表2 煤礦工作面沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)

然后，劃定沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。綜合考慮煤礦綜采工作面各個(gè)區(qū)域的危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定結(jié)果，以綠色、黃色、紅色代表工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的分區(qū)分級(jí)標(biāo)記結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 煤礦工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃定結(jié)果

如圖1 所示，將煤礦工作面危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅲ的區(qū)域，圈定為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，該區(qū)域出現(xiàn)沖地壓災(zāi)害的可能性較大，需要進(jìn)行卸壓解危工作；將煤礦工作面危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅱ的區(qū)域，圈定為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，該區(qū)域存在出現(xiàn)沖擊地壓災(zāi)害的可能性，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的沖擊地壓監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)工作；將煤礦工作面危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅰ的區(qū)域，圈定為無沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，該區(qū)域不存在沖擊地壓災(zāi)害，無需采取任何措施，正常進(jìn)行采煤生產(chǎn)即可。

1.3 大直徑鉆孔卸壓

在利用大直徑鉆孔卸壓技術(shù)進(jìn)行煤礦采煤生產(chǎn)過程中沖擊地壓卸壓解危時(shí)，首先需要確定鉆孔區(qū)域，根據(jù)文中上述內(nèi)容劃定沖擊危險(xiǎn)區(qū)域后，將沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ的區(qū)域作為鉆孔施工區(qū)域。然后確定鉆孔施工的相關(guān)參數(shù)：一是鉆孔直徑，該參數(shù)直接影響到卸壓質(zhì)量，本文結(jié)合煤礦實(shí)際地質(zhì)條件，選用直徑為150 mm 的鉆孔；二是鉆孔的深度，只有達(dá)到煤柱內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)域的鉆孔深度，才能達(dá)到預(yù)期的卸壓效果，所以本文通過求解煤體峰值點(diǎn)距離煤巷幫的距離D，來確定鉆孔深度，其計(jì)算公式如下：

式中，α 表示煤礦的側(cè)壓指數(shù)；H 表示煤礦中煤層的采高；δ表示煤礦中煤層的摩擦角；β表示煤礦的應(yīng)力集中指數(shù)；g 表示煤礦巖體的容重平均值；h 表示煤礦煤層的埋深平均值；f1、f2分別表示煤礦中煤體的粘聚力和支護(hù)阻力。將煤礦實(shí)際采煤生產(chǎn)數(shù)據(jù)代入式（6）即可求得煤礦煤體峰值點(diǎn)與巷幫之間的距離，在進(jìn)行大直徑鉆孔施工時(shí)，保證鉆孔深度大于距離D 即可。三是大直徑鉆孔之間的排距，一般來說，在大直徑鉆孔施工時(shí)，受鉆應(yīng)力集中的影響，孔周圍會(huì)出現(xiàn)破碎區(qū)與塑性區(qū)，所以為保障鉆孔卸壓效果，以鉆孔周圍塑性破壞區(qū)的半徑孔周圍作為孔間距，這樣可以在最大減小煤礦巖體沖擊傾向性的同時(shí)，避免出現(xiàn)沖擊地壓，其計(jì)算公式如下：

式中，ε表示鉆孔周圍破壞區(qū)的煤礦巖體破漲系數(shù)；r表示大直徑鉆孔的半徑。最后，根據(jù)上述鉆孔施工參數(shù)，確定大直徑鉆孔的布置方式進(jìn)行鉆孔施工，如圖2所示。

圖2 煤礦工作面強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的布孔方式

如圖所示，采用雙排布孔的方式，各鉆孔呈“三花”交錯(cuò)的形式，且底排鉆孔的傾角和煤礦煤層的傾角保持一致。大直徑鉆孔卸壓完成后，用黃泥封堵鉆孔，避免鉆孔漏風(fēng)，再嚴(yán)格按照相關(guān)措施對(duì)解危效果進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后方可繼續(xù)進(jìn)行采煤生產(chǎn)作業(yè)。

2 實(shí)例分析

2.1 工作面概況

某工作面位于我國(guó)東部煤區(qū)的4 煤層，呈“刀把形”的布置方式，因該工作面存在一定縮面區(qū)域，所以煤礦采煤生產(chǎn)施工較為困難。該工作面是繼Ⅱ3采區(qū)01 工作面開采結(jié)束后開采的第二個(gè)工作面，埋深約1 250 m，在工作面上方是01 工作面的采空區(qū)，下方是實(shí)體煤，如圖3 所示。

圖3 實(shí)例工作面情況

如圖所示，由于該工作面與01 工作面的采空區(qū)相連，所以在采煤生產(chǎn)過程中，受01 工作面采空區(qū)以及斷層的活化影響，其沖擊地壓危險(xiǎn)程度極高，急需開展沖擊地壓防治工作。首先在該工作面的巷道底煤處設(shè)置卸壓孔，卸壓孔的布置條件如表3 所示。然后根據(jù)上表中所示的鉆孔參數(shù)，按照本文設(shè)計(jì)防治技術(shù)對(duì)該工作面進(jìn)行鉆孔卸壓。

表3 實(shí)例工作面卸壓孔布置條件

2.2 效果檢驗(yàn)

本次監(jiān)測(cè)地點(diǎn)設(shè)置在覆蓋工作面的超前支撐壓力影響區(qū)，也就是工作面前方120 m 左右的區(qū)域，監(jiān)測(cè)孔的布置方案如圖4 所示。

圖4 鉆屑法監(jiān)測(cè)孔布置方案示意

在監(jiān)測(cè)過程中，及時(shí)記錄每米鉆孔的鉆屑排出量，以及鉆孔過程中發(fā)生的卡鉆、微沖擊等動(dòng)力現(xiàn)象，然后根據(jù)鉆屑監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定該工作面的鉆屑量臨界指標(biāo)，見表4。

表4 煤礦工作面鉆屑量臨界指標(biāo)

那么本次對(duì)實(shí)例工作面采用鉆屑法進(jìn)行效果檢驗(yàn)時(shí)，所得檢驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 卸壓解危后工作面鉆屑量

從上圖可以看出，該工作面不同開采深度下的煤粉量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均在設(shè)定的臨界值之下，隨著鉆孔深度的增加，該工作面的鉆屑量呈上升趨勢(shì)，但整體一直維持在一個(gè)較低的水平上，最大鉆屑量也未超過8 kg/m，說明此時(shí)該工作面的沖擊低壓成功卸壓，沖擊危險(xiǎn)已經(jīng)得到解除，進(jìn)一步證明了本文設(shè)計(jì)防治技術(shù)可以對(duì)工作面的沖擊地壓進(jìn)行有效卸壓解危，進(jìn)而保證煤礦采煤生產(chǎn)的安全。

結(jié)束語

針對(duì)我國(guó)煤礦采煤生產(chǎn)過程中沖擊地壓事故頻發(fā)的情況，本文設(shè)計(jì)一種沖擊地壓防治技術(shù)，文中在對(duì)煤礦沖擊地壓進(jìn)行預(yù)測(cè)及沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分后，結(jié)合其誘發(fā)機(jī)理采用了鉆孔卸壓的防治方案，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)沖擊地壓的卸壓解危效果顯著，可以為我國(guó)煤礦采煤生產(chǎn)過程中沖擊地壓防治提供依據(jù)。今后將針對(duì)更多的沖擊地壓防治技術(shù)進(jìn)行深入研究，為推動(dòng)我國(guó)煤礦采煤生產(chǎn)安全做出貢獻(xiàn)。