多因素耦合高靜載窄短工作面防沖管控對策

肖自義 周衛國

（1.國家礦山安全監察局山東局，山東 濟南 250031；2.魯西礦業公司彭莊煤礦，山東 菏澤 274700）

近年來，我國發生的沖擊地壓事故都造成了不小的人員傷亡和財產損失，各級政府和煤炭企業對沖擊地壓防治工作高度重視，尤其山東省提出了“三限三強”、“一礦兩面三刀”、限制千米以深區域開采的政策。科研院校和煤炭企業也積極開展沖擊地壓防治理論研究和工程實踐，在煤體卸壓、頂板爆破預裂、水力致裂、監測預警、安全防護等方面不斷取得新突破，對沖擊地壓防治有較高的指導意義。以上政策、技術具有普適性特點，對地質條件和開采技術條件相對復雜的特殊區域，還應采取針對性強化措施。彭莊煤礦地處山東菏澤巨野礦區，屬沖擊地壓礦井，3307 工作面埋深大，受采空區、巷道群切割、斷層等多種因素影響，局部形成了三角煤柱高應力集中區，沖擊風險高。彭莊煤礦通過對辨識出的高應力集中區采取高密度卸壓、爆破斷頂、提高超前支護強度等一系列針對性措施[1-7]，將高應力釋放或轉移，提高了巷道抗沖擊能力，有效降低了沖擊風險，實現了3307 工作面的安全正常回采。以上防治方法對于存在類似條件的工作面開采具有一定的借鑒意義。

1 工作面基本情況

1.1 工作面概況

彭莊煤礦主采3下煤層，煤厚平均2.78 m，煤層傾角6°～20°，最大埋深1051 m。3307 工作面位于三采區，工作面長52 m，推采長度306 m，埋深900～962 m，單斜構造，煤層傾角6°～15°，煤厚2.7～3.1 m，仰斜開采。兩順槽巷道主動支護為錨網索支護、W 鋼帶和鋼筋經緯網護表，工作面超前120 m 范圍內支設ZQ4000/20.6/45 單元支架，支架中心距5 m。

1.2 沖擊危險性評價

根據綜合指數法，3307 工作面回采期間地質因素影響下沖擊地壓危險性指數為0.52，開采技術因素影響下沖擊地壓危險性指數為0.47，評定為中等沖擊地壓危險。工作面劃分沖擊危險區11 個，其中弱沖擊危險區3 個，中等沖擊危險區6 個，強沖擊危險區2 個。強沖擊危險區位于膠帶順槽切眼以外100 m 范圍內和軌道順槽切眼以外20 m 范圍內。

1.3 巷道支護

1.3.1 主動支護

巷道采用錨網索支護，斷面形狀為矩形，凈寬5.1 m，凈高3.8 m，凈斷面17.38 m2。支護形式如下：巷道頂板采用Φ20 mm×2400 mm 高強高預應力螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿加裝讓壓管（40 mm），間排距為850 mm×1000 mm。巷道幫部采用Φ20 mm×2200 mm 普通螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1000 mm×1000 mm。頂板和兩幫均采用冷拔鋼筋經緯網配合“W”鋼帶護表，經緯網網格為100 mm×100 mm，巷道超高時可增加錨桿配合鋼護板護表；對煤巷和半煤巖巷的巖石部分不再使用“W”鋼帶或鋼護板，直接用錨桿托盤壓網。頂板采用Φ21.6 mm×6000 mm 的低松弛鋼絞線，呈“二一二”布置，間排距2400 mm×1000 mm。巷道支護斷面如圖1。

圖1 兩順槽巷道支護斷面圖（mm）

1.3.2 被動支護

兩順槽超前支護長度不小于120 m，采用單元支架進行支護，前后相鄰單元支架中心距5 m。軌道順槽布置2 排單元支架并排支護，膠帶順槽布置1 排單元支架。采用單軌吊“尾變首大循環”挪移方式：超前支護尾部單元支架需要挪移時，先借助單體支柱或手拉葫蘆將超前支護尾部單元支架挪移至巷中，再使用單軌吊將單元支架移至超前支護外端指定位置，完成“尾變首”挪移循環。 兩順槽超前段單元支架布置方式如圖2。

圖2 工作面兩順槽被動支護示意圖（m）

1.4 防沖措施

1）微震監測

為了保證工作面回采期間的微震監測精度，保證最少4 個微震傳感器同時覆蓋。在工作面回采后，在相應巷道中布置2～3 個傳感器。

2）鉆屑監測

在工作面兩順槽超前100 m 范圍內施工。回采巷道兩幫監測區域應覆蓋采動應力影響范圍，每次監測每幫各不少于3 個孔，鉆孔深度12 m，鉆孔間距為弱沖擊危險區30 m、中等沖擊危險區20 m、強沖擊危險區10 m。弱沖擊地壓危險區每隔3 d 監測一次，中等沖擊地壓危險區每隔2 d 監測一次，強沖擊危險區每隔1 d 監測一次。

所謂的“專利權用盡”，其實是指這樣一個法律規則，即經專利權人同意而售出商品或者將商品投入市場后，買方使用或轉售該商品的行為就不再構成專利侵權。中國專利法第69條(一)規定，“有下列情形之一的，不視為侵犯專利權：(一)專利產品或者依照專利方法直接獲得的產品，由專利權人或者經其許可的單位、個人售出后，使用、許諾銷售、銷售、進口該產品的；……”

3）應力監測

工作面前方監測范圍不小于300 m，每組兩個測點，同一監測組內相鄰監測點間距不超過2 m，埋設深度分別為淺孔8 m、深孔13 m，采用回采幫單側布置方式，間距不大于30 m。因受斷層、巷道沖刷等構造影響導致迎頭變成全巖的，全巖段巷道不安裝應力計，應力計間距可不受以上條件限制。因受斷層影響導致應力計安裝深度達不到以上深度要求的按以下原則安裝應力計：當鉆孔深度達不到深孔應力計設計安裝深度時，可在規定間距位置只安裝淺孔應力計；當鉆孔深度達不到淺孔應力計設計安裝深度時，可不再安裝應力計。另外，規定間距位置處回采幫受斷層影響不宜安裝應力計時，也可在同位置處非采幫安裝（非采幫沿空或沿老巷的除外，遇到此種情況可適當調整采幫側應力計安裝間距進行安裝）。鉆孔一般距離巷道底板0.5～1.5 m；若遇煤層變薄、巷道破巖量增加，鉆孔高度不能滿足以上參數要求時，應力計能保證安裝在煤層中，鉆孔均應平行煤層，垂直于巷道煤壁施工。應力計初始打壓不低于5 MPa，淺孔10 MPa 應力預警，深孔12 MPa 應力預警。

4）大直徑鉆孔卸壓

在工作面兩順槽兩幫施工卸壓孔，超前工作面250 m 完成預卸壓，鉆孔直徑150 mm。煤厚低于3.5 m 時孔深不小于15 m，煤厚大于3.5 m 時孔深不小于20 m。弱沖擊危險區孔間距不大于3 m，中等沖擊危險區孔間距不大于2 m；強沖擊危險區孔間距不大于1 m。孔口距巷道底板0.5～1.5 m。當煤層薄，破巖厚度超過1.5 m 時，卸壓孔必須在煤層中施工。鉆孔平行于煤層，垂直于煤壁。

5）防護措施

實施防沖限員管理，在工作面超前300 m 位置設置限員管理站；人員進入強沖擊危險區佩戴防沖服；安設壓風自救裝置；沖擊危險區內材料和設備、管線采取固定措施；強沖擊危險區嚴禁存放備用材料和設備；移動變電站設置在無沖擊危險的全巖巷道中。

1.5 主控因素分析

3307 工作面沖擊地壓危險主控因素為埋深、不規則煤柱、巷道群、斷層、“見方”等。3307 工作面與3302 采空區之間留有0～47 m 的三角形煤柱，為高應力集中區。工作面初采和“見方”期間，工作面超前支承應力疊加前方聯絡巷與兩順槽切割形成的應力增高區，沖擊風險進一步升高。另有工作面膠帶順槽靠近切眼位置存在3 條落差1.5 m 的斷層，工作面停采線附近存在3條落差1～1.7 m的斷層，以上兩個區域構造應力相對其他區域較高。結合工作面掘進、擴修期間防沖監測和預卸壓情況，確定工作面初采三角煤柱區和停采線附近斷層密集區為沖擊地壓發生的高風險區域，作為重點管控對象。辨識出的高風險危險區為兩個陰影區域，如圖3。

圖3 3307 工作面高沖擊風險區域辨識圖

2 強化防治措施

2.1 高密度大直徑鉆孔卸壓

3307 工作面巷道掘進期間進行了幫部大直徑鉆孔預卸壓，卸壓孔直徑150 mm，孔深15 m。煤柱寬度低于5 m 的不再施工卸壓孔。強沖擊危險區卸壓孔間距1 m，中等沖擊危險區卸壓孔間距2 m，弱沖擊危險區卸壓孔間距3 m。為防止掘進期間卸壓孔變形擠壓失效影響卸壓效果，工作面回采前，重新按照回采沖擊危險區劃分要求的卸壓孔間距，再次施工一遍卸壓孔，并保證卸壓孔超前工作面不低于250 m。綜合考慮掘進期間和回采期間施工的卸壓孔，工作面回采前卸壓孔實際間距在1～1.5 m之間，確保了對煤體的充分卸壓。另外工作面回采期間密切關注卸壓孔塌孔情況，凡發現工作面前方卸壓塌孔明顯的情況，及時安排人員進行掏孔，確保卸壓效果。3307 面兩順槽幫部卸壓孔布置情況如圖4。

圖4 3307 面兩順槽幫部卸壓孔布置示意圖（m）

2.2 頂板爆破預裂

3307 工作面實施頂板預裂爆破的主要目的有兩個：一是通過有效切斷3302 采空區懸頂，降低3307 膠帶順槽附近應力集中程度；二是通過對停采線附近的斷層實施擾動爆破，提前釋放斷層附近的構造應力，有效降低沖擊地壓發生的風險。

通過分析附近的X-11 鉆孔資料，得出煤層上方9.35 m 的直接頂、7.75 m 厚的中砂巖、5.53 m 的細砂巖為斷頂的關鍵層。詳見表1。

表1 X-1 鉆孔柱狀表

根據斷頂目的不同將斷頂鉆孔分為兩類：Ⅰ類為斷層爆破擾動孔，Ⅱ類為切斷采空區懸頂鉆孔。斷頂孔布置如圖5。

圖5 3307 工作面爆破斷頂孔布置平面圖

2.3 特殊區域針對性加強支護措施

3307 膠帶順槽切眼以外的0～100 m 范圍，為辨識的沖擊地壓高風險區。該段巷道在一定程度上受3302 工作面的采掘擾動影響，處于采空區側壓峰值區，采掘過程中頂板破壞嚴重，局部出現臺階式下沉現象。為確保安全回采，對該段巷道采取針對性加強支護措施，將單元支架中心距由常規的5 m 縮至3 m，增加了被動支護面積和支護強度，提升了抗沖擊能力。如圖6。

圖6 3307 膠帶順槽加強支護平面圖（m）

3 效果檢驗

1）微震檢驗

對3307 工作面采取一系列治理措施后，工作面推采過程中未發生較大的微震事件，未出現應力和鉆屑預警情況。微震多以二次方小能量事件為主，推采過程中未出現能量積聚的情況，三次方以上微震事件分布較為分散。整個推采過程發生四次方以上能量事件兩次，最大能量為3.5×104J 事件，位于3309 膠帶順槽開切眼以外150 m 位置附近，由斷頂爆破誘發產生。工作面推采初期的三角煤柱區未出現應力異常和動力顯現，膠帶順槽原頂板破碎區的頂板未出現明顯的下沉，頂板離層儀深、淺基點讀數增加幾乎為0。

2）應力及鉆屑檢驗

工作面推采過程中，未監測到應力和鉆屑預警。

綜上分析，采取大密度幫部卸壓、針對性爆破斷頂和加強被動支護措施，對防控3307 工作面沖擊風險是有效的。

4 結論

1）針對彭莊煤礦3307 工作面存在大埋深、采空區、巷道群、斷層等多重因素影響，采取了高密度大直徑鉆孔卸壓、針對性加強支護和頂板爆破預裂卸壓等專項防沖措施，解決了多因素耦合高靜載窄短工作面安全回采問題，尤其是對采空區之間形成的高靜載三角煤柱區域的卸壓治理和巷道頂板控制起到了較好效果。

2）通過沖擊地壓監測驗證，3307 工作面回采過程中沒有出現鉆屑和應力預警，沒有大能量的微震事件發生。相關專項措施通過了實際的檢驗，為今后類似工作面回采提供了參考。