下溝煤礦煤柱回收工作面沖擊地壓防治技術

蔡誼軍,李鵬飛,計 平

(陜西華彬煤業(yè)股份有限公司,陜西 咸陽 713500)

0 引言

下溝煤礦已進入回采后期,礦井面臨資源短缺,后續(xù)接替資源不足的問題。第一個煤柱回收工作面的成功回收對礦井具有極其重要的意義,對于延續(xù)礦井服務年限,維持礦井生產運營,提高礦井資源回收率等也都有重要意義,具有顯著的經濟效益和社會效益。但煤柱回收也面臨開采條件復雜、沖擊地壓防治難度大、過老巷頂板難以控制、巷道幫鼓、底鼓等諸多難題,本文就煤柱回收工作面沖擊地壓防治技術進行簡單分析[1-6]。

1 工程背景

1.1 礦井概況

下溝煤礦位于彬長礦區(qū)東南部,東與火石咀煤礦相鄰,南與水簾洞煤礦相接,西鄰大佛寺煤礦和大佛寺保護區(qū),北與官牌井田相接,屬正常生產礦井,核定生產能力為270萬t/a。礦井為高瓦斯礦井,自燃煤層,煤塵具有爆炸性,水文地質類型為中等,煤層及頂板具有弱沖擊傾向性。

礦井采用分區(qū)式通風方式,抽出式通風方法,主斜井、副斜井和行人斜井進風,上溝立井、水簾斜井回風。目前礦井回采ZF2822工作面[7-8]。

1.2 工作面概況

ZF2822孤島工作面是下溝煤礦401采區(qū)西二水平布置的集中巷道煤柱回收工作面,其井下具體位置:東為401下山保護煤柱,西為404下山保護煤柱,南為ZF1816工作面采空區(qū),北為ZF2815～ZF2820采空區(qū)。ZF2822孤島工作面標高在473～487 m之間,地面標高在840～860 m之間,埋深約370 m,其上部地表為溝谷切割的塬梁地貌,工作面的回采對地面設施無影響,如圖1所示。

圖1 ZF2822孤島工作面布置Fig.1 Layout of ZF2822 “isolated island” working face

1.3 工作面沖擊危險等級

根據煤炭科學技術研究院有限公司安全監(jiān)測中心提供的《下溝煤礦4煤及頂底板巖層沖擊傾向性鑒定報告》(2021年7月),經鑒定下溝煤礦4號煤層及其頂板巖層具有弱沖擊傾向性,4號煤層底板巖層為無沖擊傾向性。

下溝煤礦ZF2822工作面回采期間沖擊危險的評價及防治必須有針對性。首先排查誘發(fā)沖擊地壓的因素,其次采用綜合指數法進行宏觀評價,確定沖擊地壓危險等級,最后根據各因素的影響范圍的耦合結果,劃分各危險區(qū)域的危險程度。

綜合指數法類比的沖擊地壓危險影響因素主要包括地質條件和開采技術條件2大類影響因素。多因素耦合法主要考慮的影響因素有:煤的沖擊傾向性、地質構造(斷層、褶曲等)、煤巖結構、覆巖結構、開采技術條件等[9]。

各因素對沖擊地壓危險的影響程度大小,主要采用礦壓分析、工程類比、理論計算等方法進行。

ZF2822工作面回采期間沖擊地壓危險評價流程如圖2所示。

圖2 工作面回采期間沖擊地壓危險性評價流程Fig.2 Risk evaluation process of rock burst during working face mining

2022年9月西安科技大學對下溝煤礦ZF2822工作面開展了沖擊地壓評價工作,根據綜合指數法,和多因素耦合法的綜合預測,ZF2822工作面回采期間具有弱沖擊危險性。

2 回采期間沖擊地壓危險監(jiān)測預警方案

目前常用的沖擊地壓危險性監(jiān)測預警方法主要有3類:第1類是常規(guī)的礦山壓力監(jiān)測方案;第2類是以鉆屑法為主的巖石力學方法;第3類是以微震和電磁輻射監(jiān)測為主的地球物理方法。由于沖擊地壓在發(fā)生時是動載荷靜載共同作用的結果,因此沖擊危險性監(jiān)測需要采取區(qū)域、局部監(jiān)測和定點監(jiān)測相結合的方法。對于ZF2822工作面回采期間的沖擊地壓危險監(jiān)測,可采用微震監(jiān)測、鉆屑監(jiān)測、應力在線監(jiān)測等綜合進行,并采用常規(guī)礦壓監(jiān)測作為補充監(jiān)測手段。

鑒于宏觀評價ZF2822工作面回采期間整體具有弱沖擊危險,礦方應配置微震監(jiān)測設備,并輔以鉆屑法對危險區(qū)進行抽檢,同時可選擇應力在線監(jiān)測、工作面礦壓監(jiān)測等設備進行補充監(jiān)測。微震監(jiān)測可確定應力分布范圍,而應力在線監(jiān)測系統可實時監(jiān)測鉆孔應力變化趨勢。每天安排專人對上述監(jiān)測結果進行動態(tài)分析,形成防沖日報表,并在監(jiān)測數據異常的危險區(qū)域利用鉆屑監(jiān)測進行校驗,發(fā)現危險信息應及時上報礦領導[10-12]。

因此,采用早期綜合分析與即時監(jiān)測預警相結合,區(qū)域預測與局部監(jiān)測、點預測相結合,構成可靠性高、簡單易行、行之有效的沖擊地壓危險性預測技術體系。依據監(jiān)測預警結果,確定沖擊危險程度等級,即無沖擊危險、弱沖擊危險、中等沖擊危險和強沖擊危險。根據沖擊危險不同等級,采用相應的解危和處理方案。

3 工作面回采期間沖擊地壓防治技術方案

3.1 工作面回采期間超前預卸壓措施

ZF2822工作面回采期間沖擊危險區(qū)域的防治主要需達到以下3個目的:①對工作面巷道周圍的煤巖體進行弱化,降低其強度與應力集中程度,或使應力高峰區(qū)向巖體深部轉移;②降低覆巖破斷等震源能量的大小,降低其對高應力煤體的動態(tài)擾動影響;③采取上述措施后,降低沖擊地壓的危險程度。

在ZF2822工作面回采期間,可根據實際需要,采取巷道布置方式、控制工作面回采速度等區(qū)域防治方案措施,局部防治措施可采取煤體大直徑鉆孔卸壓、煤體卸壓爆破、底板大直徑鉆孔卸壓等方式進行配合使用。根據沖擊地壓危險區(qū)域劃分,對有沖擊危險的區(qū)域采取必需的預處理措施,并及時利用沖擊危險監(jiān)測手段監(jiān)測檢驗治理效果,對于監(jiān)測到的有異常礦壓顯現的區(qū)域,要及時采取解危措施,如圖3所示。

圖3 工作面回采期間沖擊地壓防治思路Fig.3 Prevention and control thinking of rock burst during working face mining

3.2 工作面回采期間解危措施

3.2.1 煤體大直徑鉆孔解危

當工作面回采監(jiān)測到沖擊危險時,首先利用鉆屑法確定危險范圍,然后采取解危措施,大直徑鉆孔解危孔徑≤125 mm、長度大于預卸壓鉆孔5 m,(由于工作面區(qū)段煤柱為20 m與6 m,區(qū)段煤柱側施工時可根據實際情況調整孔深),鉆孔施工時要與之前的卸壓鉆孔交錯布置。

首先在預卸壓鉆孔中間進行施工,若施工完第一輪鉆孔后沒有消除沖擊危險,應在第一輪鉆孔與預卸壓鉆孔中間補打鉆孔,進行第二輪鉆孔施工,若三輪以上施工后仍未消除沖擊危險,可采取煤體爆破解危辦法。施工原則:一般由外向里施工,在距危險區(qū)域一側10～15 m位置,逐漸向危險區(qū)域施工,直到沖擊危險區(qū)域另一側10～15 m位置。鉆孔施工完畢后,根據現場實際情況使用“水泥”進行封孔,封孔長度2.4 m。

3.2.2 煤體爆破解危

經評價劃定的沖擊危險區(qū)對煤層兩幫、底板施工φ153 mm大直徑卸壓鉆孔進行卸壓;回采期間特殊時期、特殊區(qū)域153 mm大直徑卸壓鉆孔效果不理想或施工條件達不到要求時,可采用煤體爆破卸壓措施,使用前編制專項安全技術措施。

3.2.3 效果檢驗

由于沖擊地壓的復雜性以及沖擊危險區(qū)域的相對隱蔽性,沖擊地壓危險區(qū)域實施解危措施后,沖擊危險區(qū)域可能未完全消除,或由于應力轉移使得鄰近區(qū)域沖擊危險性升高,因此必須及時對解危效果進行檢驗。防沖措施的效果檢驗方法和指標可參照沖擊地壓危險的監(jiān)測預警方法和指標。效果檢驗的方法主要有鉆屑監(jiān)測法、應力監(jiān)測法、微震法等。如果所有檢驗方法均判定無沖擊危險,則解危區(qū)域的沖擊危險性得到消除;當其中一種檢驗方法仍具有沖擊地壓危險時,則需繼續(xù)采取解危措施,直到經檢驗沖擊地壓危險解除為止。

4 結論

(1)4號煤層及頂板均具有弱沖擊傾向性;受底煤厚度變化影響,煤層厚度變化對沖擊地壓的影響較大;ZF2822工作面所在區(qū)域頂板巖層的厚度特征參數值Lst為88.43,大于50,對沖擊地壓的影響較大;ZF2822回風順槽與ZF2815～ZF2820工作面采空區(qū)留有20 m的煤柱,對沖擊地壓的影響較大;ZF2822工作面回采期間留設有1～2 m的底煤,對沖擊地壓的影響較大;ZF2822工作面與ZF2815～ZF2820、ZF1816采空區(qū)外錯,ZF2822工作面切眼與ZF2820工作面運輸順槽外錯距離為35 m,與ZF1816工作面切眼外錯距離為25 m,ZF2822工作面停采線與ZF2815工作面運輸順槽外錯距離為16 m,對沖擊地壓的影響較大。

(2)通過綜合指數法確定了ZF2822工作面回采期間沖擊地壓危險的綜合指數為0.38,初步判斷ZF2822工作面具有弱沖擊危險性;基于多因素耦合分析法對ZF2822工作面回采期間的沖擊危險區(qū)進行分級分區(qū)劃分。ZF2822工作面回采期間共劃分強沖擊危險區(qū)域2處,中等沖擊危險區(qū)域7處,弱沖擊危險區(qū)域10處。

(3)針對ZF2822工作面回采期間沖擊地壓危險,提出了監(jiān)測預警方案:采用微震、應力在線、鉆屑法進行監(jiān)測,同時采用礦壓監(jiān)測法進行補充監(jiān)測;設計ZF2822工作面回采期間預卸壓與及時解危相結合的沖擊地壓防治技術方案及卸壓解危措施的效果檢驗方案,根據沖擊危險區(qū)域分布圖,提出針對重點防治區(qū)域的監(jiān)測和防治措施。

(4)結合下溝煤礦實際情況,從安全防護措施、人員管理、物料管理、沖擊地壓事故處理、沖擊地壓避災路線、人員培訓等方面給出下溝煤礦沖擊地壓防治組織管理技術措施。按照區(qū)域先行,局部跟進的防沖原則,及時采取有效的防治措施進行控制,加強安全管理,提升安全管理水平,從制度、人員安全意識、人員素質水平以及設備完善等方面嚴格把控,把安全隱患扼殺在萌芽之中,最大限度地避免沖擊地壓事故的發(fā)生,促進企業(yè)健康穩(wěn)定地發(fā)展。