沖擊地壓工作面危險(xiǎn)區(qū)域治理方案

王小軍，劉二帥

(陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著我國(guó)深埋煤層的不斷開采，由開采技術(shù)等系列因素引起的沖擊地壓事故對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)以及工作面作業(yè)人員生命安全等造成了嚴(yán)重的威脅。近年來，我國(guó)許多專家、學(xué)者對(duì)沖擊地壓的預(yù)測(cè)、預(yù)警以及防治措施等開展了深入研究。例如，姜耀東等[1]總結(jié)了我國(guó)煤礦發(fā)生沖擊地壓危害的特點(diǎn)，同時(shí)分析了沖擊地壓、巖爆和礦震之間存在的聯(lián)系與區(qū)別，并且建立了煤礦沖擊地壓的3種力學(xué)模型，即材料失穩(wěn)型、滑移錯(cuò)動(dòng)型和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型。姜福興等[2-3]提出了一種基于自重應(yīng)力基礎(chǔ)而疊加所有沖擊危險(xiǎn)性因素產(chǎn)生的應(yīng)力增量的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法。朱峰等[4]針對(duì)沖擊地壓評(píng)價(jià)系統(tǒng)中指標(biāo)權(quán)重難確定的背景，從而提出了一種“AHP+熵權(quán)法”組合賦權(quán)方法，該方法能通過引入拉格朗日函數(shù)，建立一種優(yōu)化決策模型，來確保評(píng)價(jià)時(shí)主客觀權(quán)重與偏好間的一致性，進(jìn)而獲得各指標(biāo)的組合權(quán)重。張宏偉等[5]研究了煤礦自然地質(zhì)條件與開采工程擾動(dòng)效應(yīng)對(duì)沖擊地壓災(zāi)害的綜合作用，并且提出了防治沖擊地壓災(zāi)害的預(yù)測(cè)、預(yù)警方法，同時(shí)建立了沖擊地壓地質(zhì)條件評(píng)價(jià)和指標(biāo)體系的方法。吳學(xué)松等[6-7]基于我國(guó)發(fā)生沖擊地壓煤礦的最新數(shù)據(jù)，從沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警和防治技術(shù)3個(gè)方面歸納了我國(guó)煤礦沖擊地壓災(zāi)害防控領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，同時(shí)也從煤巖介質(zhì)屬性、環(huán)境應(yīng)力以及賦存結(jié)構(gòu)3個(gè)方面探討了沖擊地壓防控機(jī)理的研究現(xiàn)狀。曹民遠(yuǎn)等[8]采用數(shù)值模擬與公式計(jì)算的方法，得到了綜采工作面過煤柱區(qū)域的應(yīng)力分布，根據(jù)支承壓力的主導(dǎo)方向，分析了掘進(jìn)工作面應(yīng)力擾動(dòng)疊加的影響，最后提出了近直立煤層動(dòng)態(tài)權(quán)重評(píng)價(jià)法的計(jì)算體系。劉少虹等[9]針對(duì)巨厚堅(jiān)硬巖漿巖床下煤層大面積采空后沖擊地壓頻發(fā)的問題，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法對(duì)巖漿巖床破裂運(yùn)動(dòng)誘發(fā)沖擊地壓機(jī)制進(jìn)行了細(xì)致研究，從而建立了大面積采空區(qū)上堅(jiān)硬巖漿巖頂板的三角懸臂梁理論模型，得出了巖漿巖床應(yīng)力及能量分布特征。張傳玖等[10-11]為研究堅(jiān)硬頂板綜放工作面沖擊地壓的主控因素和防治技術(shù)，采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和沖擊地壓應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過分源監(jiān)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)沖擊地壓主控因素為高靜載、強(qiáng)礦震和低支護(hù)強(qiáng)度，而多因素使得發(fā)生沖擊劇烈的危險(xiǎn)區(qū)域的支護(hù)強(qiáng)度較低。

為此，擬通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析等綜合方法，以陜西某礦B2煤層203工作面開采為工程研究背景，確定沖擊地壓最危險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)而提出治理方案。

1 工程概況

陜西某礦的一采區(qū)位于+1 255 m水平I勘探線與Ⅶ勘探線之間，受地質(zhì)構(gòu)造的影響，區(qū)內(nèi)褶皺不發(fā)育，斷裂展布與地質(zhì)構(gòu)造線一致，煤層走向大致為107°。采區(qū)走向長(zhǎng)度為4 400 m，傾向?qū)挾葹?00 m，面積達(dá)3.1 km2，其南、西邊界分別是礦井井田邊界，東邊界是東采區(qū)的東邊界，北邊界是201工作面采空區(qū)。203工作面位于一采區(qū)+1 255 m水平的西翼，東至運(yùn)輸上山保護(hù)煤柱，南至井田邊界，北至201工作面，之間留設(shè)煤柱15 m；其上部是405與403工作面的采空區(qū)，標(biāo)高在+1 302～+1 351 m的范圍，走向長(zhǎng)度為1 550 m，傾向?qū)挾葹?80 m。一采區(qū)可采煤層共6層，研究對(duì)象為B2煤層的203工作面，其煤層平均厚度為10 m，屬特厚煤層，故設(shè)計(jì)采高為3.5 m，放煤高度為6.5 m，傾角為14°。

2 203工作面沖擊地壓誘導(dǎo)因素評(píng)價(jià)

2.1 203工作面開采因素沖擊危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

表1 開采因素評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

由表1計(jì)算結(jié)果，綜合求得I010203工作面開采因素沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)的最終模糊評(píng)判集B。

B=wi×Ri

(1)

經(jīng)計(jì)算可得，B=[0.417 0.016 0.152 0.415]。按照“置信度”識(shí)別原則進(jìn)行分析所得結(jié)果，設(shè)置信度λ=0.7。由k0=min|k：∑kμi>λ，k=1，2，…，n|，計(jì)算得k0=4。由此可得，203工作面開采因素的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為四級(jí)，屬?gòu)?qiáng)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)。

2.2 203工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域確定

根據(jù)203工作面沖擊地壓開采因素分析，以及沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)203工作面沖擊地壓強(qiáng)危險(xiǎn)區(qū)域確定如下。通過該礦開采實(shí)際資料并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段，發(fā)現(xiàn)203工作面沖擊地壓強(qiáng)危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)椤半p面見方”的區(qū)域，即推進(jìn)520～580 m的區(qū)域。該區(qū)域受其它采空區(qū)周邊煤體的影響，同時(shí)為外錯(cuò)405采空區(qū)的煤體(即進(jìn)入405開切巷后區(qū)域)。

3 危險(xiǎn)區(qū)域防沖預(yù)警方案

3.1 防沖原則

根據(jù)對(duì)該礦煤層開采技術(shù)條件及現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防沖擊地壓的實(shí)際情況，應(yīng)避免煤層開采過程中前方高應(yīng)力的形成。203工作面必須充分考慮沖擊地壓防治，做到?jīng)_擊地壓防治優(yōu)先于回采，必須提前完成；回采時(shí)必須提前考慮與201工作面之間留設(shè)的15 m煤柱如何進(jìn)行有效處理，以防止回采期間煤柱受壓后其下部的運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷局部發(fā)生形變。此外，對(duì)于監(jiān)測(cè)手段和防治措施要根據(jù)實(shí)際條件不斷更新并優(yōu)化，對(duì)于新的沖壓防治手段要積極借鑒與使用。

3.2 防沖技術(shù)路線

為做好203工作面的礦壓防治工作，不僅布置由點(diǎn)及面的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，同時(shí)運(yùn)用國(guó)內(nèi)最有效的防治手段，即上順槽超前預(yù)爆破、上下端頭超前切頂爆破、工藝巷內(nèi)超前深孔爆破等防治措施。該礦將根據(jù)203工作面開采中支承壓力的動(dòng)態(tài)分布特點(diǎn)，不斷地優(yōu)化完善方案，將各個(gè)防治手段聯(lián)合運(yùn)用，從而形成一套適合該礦綜放工作面的沖壓防治技術(shù)，為后期綜放工作面的安全、高效回采提供技術(shù)保障。沖壓防治技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 沖壓防治技術(shù)路線

3.3 203工作面危險(xiǎn)區(qū)域防沖預(yù)警

3.3.1 探測(cè)系統(tǒng)

203工作面回采至危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，開采應(yīng)力的擾動(dòng)與疊加是誘導(dǎo)沖擊地壓發(fā)生的根本因素。因此，對(duì)煤巖體應(yīng)力分布的研究是預(yù)測(cè)沖擊地壓危險(xiǎn)性的基礎(chǔ)。本方案首先通過地震層析成像技術(shù)對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)煤巖的波速分布情況進(jìn)行CT成像，然后研究利用應(yīng)力與地震波波速的良好對(duì)應(yīng)關(guān)系來確定煤巖應(yīng)力的分布情況，進(jìn)而預(yù)測(cè)分析其沖擊強(qiáng)度大小，及時(shí)采取解危措施，使應(yīng)力得到釋放或轉(zhuǎn)向煤層深處，確保工作面安全推進(jìn)。PASAT-M型預(yù)警微震探測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 PASAT-M型便攜式微震探測(cè)系統(tǒng)示意

3.3.2 探測(cè)方案

高臺(tái)縣位于河西走廊中部，海撥1 260 m，年日照3 088 h，年平均氣溫7.8～8℃，年均降水量105.9 mm、蒸發(fā)量2 000 mm左右，無霜期150 d左右。冬季寒冷、干燥，夏季干熱，春季多風(fēng)，屬大陸沙漠干旱型氣候。

為了解203工作面回采前煤體應(yīng)力分布情況，以及回采期間203工作面由上部實(shí)體區(qū)域進(jìn)入405采空區(qū)后應(yīng)力分布狀況，特對(duì)203工作面進(jìn)行多次應(yīng)力探測(cè)，本次采用采集端位于其輔運(yùn)巷，共布置12個(gè)探頭，道間距15 m。激發(fā)孔共設(shè)計(jì)40個(gè)，其中運(yùn)輸巷激發(fā)孔35個(gè)，炮間距5 m，工作面激發(fā)孔5個(gè)，炮間距17.5 m，探測(cè)走向范圍平均為150 m，可滿足研究需要。203工作面回采前與進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域后PASAT-M型預(yù)警微震探測(cè)布置方案，如圖3、4所示。若在工作面回采至危險(xiǎn)區(qū)域中出現(xiàn)臨界值超標(biāo)、預(yù)警裝置報(bào)警等沖擊危險(xiǎn)性，應(yīng)立即對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域解危措施進(jìn)行處理。

圖3 203工作面PASAT-M探測(cè)布置

圖4 203工作面過405開切巷后PASAT-M探測(cè)布置

4 203工作面危險(xiǎn)區(qū)域治理方案

203工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域的治理方案將采取多層次解危，即首先對(duì)下運(yùn)輸巷危險(xiǎn)區(qū)域在回采前進(jìn)行一次解危，在回采時(shí)，再進(jìn)行第2次解危?；夭善陂g工作面卸壓將采取以工藝巷超前預(yù)裂爆破為核心的防沖手段，形成對(duì)頂板、頂煤的分層、分級(jí)、雙管齊下的防沖解危理念，即頂板處理方案和煤層處理方案。

4.1 203工作面頂板處理方案

頂板爆破就是將頂板破斷，降低其強(qiáng)度，釋放因壓力而聚集的能量，減少對(duì)煤層和支架的沖擊振動(dòng)。在頂板彎曲下沉?xí)r，在條痕處形成拉應(yīng)力而斷裂。因此在203工作面將使用超前深孔頂板預(yù)裂爆破技術(shù)處理頂板。

頂板處理高度確定：I010203工作面采高Hc平均為10 m，設(shè)頂板崩落厚度為Hx，巖石碎脹系數(shù)ξ為1.4，為保證冒落頂板能完全充填采空區(qū)，需使得公式(2)成立。

Hx×ξ=Hc+Hx

(2)

由式(2)可得，Hx=10/(1.4-1)=25 m。根據(jù)該礦地質(zhì)條件，B2煤層上部33 m處為B3煤層，依據(jù)頂板處理高度的計(jì)算，為留有一定的富余系數(shù)，暫定203工作面頂板巖層處理范圍沿工作面頂板至上方25 m的垂直高度，剩余的8 m巖石在自然垮落后產(chǎn)生的壓力，會(huì)得到有效降解，不會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊危險(xiǎn)性。

炮孔直徑確定：采用深孔爆破預(yù)裂頂板時(shí)，一般炮孔直徑在70～100 mm。當(dāng)炮孔直徑較小時(shí)，裝藥比較困難，且爆破影響范圍與炮孔爆破直徑成正比關(guān)系，炮孔孔徑小爆破效果較差，但當(dāng)炮孔直徑太大時(shí)，封泥困難，會(huì)影響爆破效果。因此，預(yù)裂頂板借鑒201工作面回采期間經(jīng)驗(yàn)，炮孔直徑為φ94 mm。

炮孔深度確定：炮孔深度主要由頂板的厚度、工作面長(zhǎng)度、煤層傾角、孔底距離、孔口距離確定，根據(jù)這些參數(shù)用做圖法進(jìn)行確定。而炮孔深度不能太深，如果炮孔太長(zhǎng)在裝藥中會(huì)增加很大的困難，且容易出現(xiàn)“卡孔”現(xiàn)象。

封孔長(zhǎng)度確定：炸藥爆煤巖能力與封孔長(zhǎng)度和煤巖體抗爆強(qiáng)度有關(guān)。若封孔長(zhǎng)度過短，抗爆能力降低，在爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生拋擲漏斗影響爆破效果，特別是將破壞兩巷道的穩(wěn)定與支護(hù)；如果封孔長(zhǎng)度大于其臨界長(zhǎng)度，使爆煤巖能力小于抗爆能力，爆炸時(shí)封孔段煤巖體不能形成裂隙，同樣影響爆破效果。因此，合理的封孔長(zhǎng)度，既要保證封孔段煤巖體松動(dòng)預(yù)裂，同時(shí)又不能產(chǎn)生拋擲漏斗。根據(jù)一般情況，深孔爆破時(shí)封孔長(zhǎng)度應(yīng)為孔深的25%～30%，但考慮到爆破點(diǎn)距煤層頂板較近，容易造成架前漏頂事故，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)爆破點(diǎn)應(yīng)控制在煤層頂板上方5 m以上。綜上所述，炮眼采用ZDY-6000S、ZDY-1900、ZDY-1000型全液壓坑道鉆機(jī)施工，鉆頭為φ94 mm合金鋼鉆頭。

4.2 203工作面煤層處理方案

基于201工作面的實(shí)際回采經(jīng)驗(yàn)，其回采率在60%～70%之間，主要原因是頂煤大塊較多，頂板不易垮落，為進(jìn)一步提高頂煤的回采率，實(shí)現(xiàn)頂板的自行垮落，降低沖擊危險(xiǎn)性，故利用在工藝巷內(nèi)施工煤層松動(dòng)爆破孔，要求爆破必須超前工作面50 m左右完成爆破。利用工藝巷不僅處理頂板的同時(shí)使用煤層深孔爆破進(jìn)行頂煤的預(yù)裂，孔間距為5 m，孔徑94 mm。要求封孔終端距比采高高1 m，防止推進(jìn)過程中，出現(xiàn)架前冒頂?shù)默F(xiàn)象，煤層松動(dòng)爆破布置方案如圖5所示。

圖5 煤層松動(dòng)爆破孔

4.3 監(jiān)測(cè)效果檢驗(yàn)方法

通過爆破波在工作面介質(zhì)中傳播的速度，可以探知工作面應(yīng)力的分布情況，為工作面卸壓措施、手段提供數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)對(duì)比卸壓前后所探測(cè)的應(yīng)力分布云圖，可以探知同一個(gè)區(qū)域卸壓前后的應(yīng)力分布情況，及時(shí)了解卸壓是否達(dá)到效果。經(jīng)檢驗(yàn)，該監(jiān)測(cè)效果符合治理需要。

5 結(jié)論

(1)基于該礦實(shí)測(cè)資料的研究，發(fā)現(xiàn)開采因素是導(dǎo)致203工作面發(fā)生沖擊地壓的主導(dǎo)因素；基于203工作面沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)測(cè)定值，得出203工作面開采因素的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為四級(jí)。

(2)根據(jù)開采因素及沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果分析，確定了203工作面沖擊地壓強(qiáng)危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)椤半p面見方”的區(qū)域，即進(jìn)入405開切巷后區(qū)域。

(3)根據(jù)203工作面開采中支承壓力的動(dòng)態(tài)分布特點(diǎn)，為203工作面回采前與進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域后布置了PASAT-M型預(yù)警微震探測(cè)系統(tǒng)方案，并進(jìn)行了效果檢驗(yàn)。

(4)對(duì)203工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域治理采取了超前深孔頂板預(yù)裂爆破技術(shù)處理頂板及工藝巷內(nèi)施工煤層松動(dòng)爆破孔處理煤層的雙重處理方案。