梁宝寺矿3400采区冲击地压防治措施

郝长胜，高国强，郑彦涛，杨永杰，李福玲，常江波

(内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014010)

梁宝寺井田位于山东省西南部，东南距嘉祥县城约20 km，地理坐标为东经 116°10'～ 116°17'，北纬35°32'～ 35°38'。井田东西宽约 9 km，南北长约 11 km，面积约 97 km2。

3400采区采深大，平均采深均在800 m以上，且煤层厚度大，平均煤厚5.0 m，虽然从未发生过冲击地压现象，防治冲击地压工作仍不容忽视。采区采动后，各种巷道和采煤工作面的周围岩体内将发生应力重新分布［1，2］，若形成应力集中，在应力集中区域易积聚弹性变形能［3］，当达到临界破坏条件时，受其他采掘活动影响，就可能发生冲击地压［4］。在一定的煤层赋存条件、地质条件、开采条件以及大面积采空区悬顶等条件下，有发生冲击地压的危险性。所以，必须制定防冲措施，落实责任，防止冲击地压现象的发生。

1 危险区域的划分

梁宝寺矿井3400采区初期采用条带开采，后期村庄搬迁后采用长壁工作面开采，开采期间要面临以下几种情况:

1)两侧都是实体煤的开采。其工作面边界示意图见图1。

图1 工作面两侧实体煤示意图

2)一侧采空工作面的开采。

工作面一侧采空的情况下，当该工作面的老顶初次断裂完成后，其上位岩层将与上区段同位岩层一起运动，即老顶的上位岩层将连在一起运动，形成一个“S”型空间结构。该空间结构导致采空区一侧巷道超前支护困难，在一定的条件下很容易诱发冲击地压。

该工作面的防冲工作要点如下:

a)中度危险区域2个，即老顶初次来压及应力集中区。

b)高度危险区域2个，即单工作面见方、双工作面见方。

3)不对称孤岛工作面的防冲技术。

不对称孤岛工作面是指一侧采了一个工作面，另一侧采了多个工作面的边界条件。

不对称孤岛工作面随着工作面的推进，最终3个工作面采空区连为一体，导致本工作面成为两面采空的孤岛工作面，三工作面覆岩剧烈运动，最终形成“C”型覆岩空间结构，此时厚硬岩层的运动易造成工作面来压大，诱发工作面前方巷道和上、下端头附近区域发生冲击地压。

不对称孤岛面工作面两侧的覆岩结构不同，在采空区一侧，上覆岩层完全垮落，断裂岩层已经触矸，地表已经完全沉降，因此，在这一侧煤柱上方的支承压力较小;而另一侧的高位坚硬岩层并未断裂，仍横跨于两侧的实体煤上方，则其煤柱上方的支承压力较大，且随着工作面开采，覆岩结构将发生变化，容易引起工作面的动力灾害。因此，在上顺槽一侧冲击危险性更大。

4)对称完全孤岛工作面的防冲技术。

对称完全孤岛工作面是指待采工作面两侧已经有多个工作面开采完毕，且采空区上方岩层已经完全断裂，地表达到了充分沉陷的程度。

5)对称不完全孤岛工作面的防冲技术。

对称不完全孤岛工作面是指待采工作面两侧只有1或2个工作面开采完毕，且采空区上方岩层没有完全断裂，地表没有出现明显变形。

这类工作面最大的冲击灾害将发生在3个工作面采空区上方高位坚硬岩层断裂阶段。

2 防冲措施

2.1 区域防冲管理

上述五种情况下的工作面动力灾害防治关键技术如下:

第一步:对可能发生的冲击危险区域和危险程度进行评价。

第二步:对危险区进行提前卸压处理。

第三步:开采过程中进行监测预报。

第四步:采用检验手段检验卸压效果。

具体的措施如下:

第一步:对可能发生的冲击危险区域和危险程度进行评价。

通过采用岩层运动和矿山压力理论、压力计算、构造分析等方法，在工作面回采之前，对工作面危险性进行评价，冲击地压危险区预测结果为:

老顶初次来压前夕:当工作面推进到老顶初次来压时，可能发生小能量冲击地压，此时一般为中度冲击。

工作面采空区见方阶段:工作面推进到工作面采空区见方或多个连续工作面采空区见方时，极有可能发生灾害性大能量冲击地压，矿区内有强烈震感，此时一般为高度冲击。

正常推进期间老顶周期来压阶段:主要是老顶周期来压的动压诱发小的断裂震动，但是能量不大，只在工作面有震感，此时一般为中度冲击。

工作面过断层前阶段:工作面见断层前40 m左右，地应力与构造力叠加，易发生冲击地压，根据断层性质和落差、岩性，判定为中度、高度冲击。

不规则开采阶段:工作面不规则开采时，应力叠加，易发生冲击地压，此时一般为中度冲击。

第二步:对危险区进行提前卸压处理。

为了确保3400采区工作面的安全开采，应采取“主动解危措施”，并实施监测监控，同时建立相应的管理制度。

主动解危措施:对于划定的危险区域应采取钻孔法进行主动解危。

1)一般危险区域:严格进行钻粉监测。

2)中度危险区域:打卸压孔卸压，孔径110 mm，孔间距3～5 m。

3)高度危险区域:打卸压孔卸压，孔径110 mm，孔间距2～3 m。

4)钻孔深度:采放厚度≤3 m时，孔深12 m。采放厚度3～5 m时，孔深17 m。采放厚度5～8 m时，孔深22 m。

5)开采过程中要经常性打直径42 mm的孔检验危险区的应力状况，检验卸压孔的卸压效果，从而决定是否需要加密钻孔或断顶。

根据工作面顶板情况，煤层上直接覆盖坚硬厚层砂岩，需要在开切眼和预计的冲击地压危险区进行深孔断顶卸压。

具体参数和工艺在每个工作面另行制定深孔断顶卸压实施方案。

第三步:开采过程中进行监测预报。

具有高冲击危险性工作面必须采取预测预报方法进行预警，预警方法有以下几种:钻屑法、冲击地压在线监测法、高精度微震监测法、电磁辐射等。

第四步:采用检验手段检验卸压效果。

开采过程中，采用冲击地压监测预警系统进行预测预报，同时采用钻屑法［5］进行检验。

2.2 煤体注水

煤层注水后由于煤的结构发生改变，导致强度下降，煤体积蓄弹性能的能力随之下降，冲击倾向性减弱，甚至完全失去冲击能力，而以塑性变形方式消耗弹性能的能力增加，因此，煤层中储存的可恢复弹性能减少。对有冲击倾向性的煤层进行煤体注水是一种很好的卸压解危方法之一。

1)钻孔设计。

a)钻孔布置:工作面轨道顺槽、皮带顺槽自切眼以外10 m开始布置第一个钻孔，向外每隔20 m布置一个，深度50 m，一直布置至停采线位置。

b)钻孔开孔位置视煤层裸露情况，布置在底板以上1000～1500 mm为宜，沿煤层倾斜方向，钻孔直径50 mm。

2)注水设计。

单孔注水量:

其中:

Kx—钻孔前方煤体受湿润系数，取1.2;

L—钻孔长度，m;

B—钻孔间距，m;

M—开采厚度，m;

W—煤的容重，t/m3，取1.42;

q—吨煤注水量，m3/t，取 0.04。

Q单=1.2 ×50 ×10 ×3 ×1.42 ×0.04=102.24 m3

若钻头进入煤层顶底板，达不到设计孔深的2/3时，要报废该孔，另选适当位置，调整角度，重新开孔。

钻孔达到设计深度后，必须用清水冲孔，排净孔内煤粉，临时停钻时，要将钻头提离孔底5 m，以防卡钻。

当流量表不再显示进水量后，稳定2 h后，方可停止注水。

2.3 掘进工作面防冲措施

在可能发生冲击地压危险区域内采用钻屑法监测预警时，若发现钻孔内有动力显现，如严重卡钻、钻孔壁有冲击等现象，则需采取措施进行卸压。

1)掘进迎头放卸压炮。

在掘进施工迎头中部布置3个眼，高度1.2 m左右，以方便打眼为原则，眼距0.4 m，眼深8 m，装药长度为4 m，并封满炮泥。每掘进3～5 m放一次卸压炮，始终超前卸压3～5 m。卸压炮眼布置见图2。

图2 掘进迎头卸压炮眼布置图

躲炮半径按安全规程规定要大于150 m，躲炮时间要大于30 min。

钻孔施工后要及时装药、引爆，以防塌孔或将炸药压死而出现拒爆。

迎头放卸压炮后，要在距离迎头15～50 m范围用钻屑法进行监测检验，当钻孔煤粉量≥2.6 kg/m时，必须采取大直径钻孔进行卸压解危。

2)大直径钻孔卸压。

大直径钻孔施工位置:巷道掘进迎头钻孔布置平面图见图3，剖面图见图4。

图3 巷道掘进迎头钻孔布置平面图

图4 巷道掘进迎头钻孔布置剖面图

大直径钻孔施工要求:钻孔直径大于110 mm，钻孔深度12 m(3.5倍巷道高度)。

在掘进迎头后方采用钻屑法检验冲击危险时，如果发现两帮15 m深度范围内有冲击危险，钻孔煤粉量≥2.6 kg/m，则需要在实体煤帮打大直径卸压孔卸压，在掘进迎头后方5 m范围内开始施工，间距3～5 m，深度12 m。

2.4 采煤工作面防冲措施

1)打卸压孔卸压。

首先对可能发生的冲击危险区域和危险程度进行评价。通过采用岩层运动和矿山压力理论、压力计算、构造分析等方法，在工作面回采之前，对工作面危险性进行评价，评价有中度以上冲击危险时，打卸压孔卸压。

a)中度危险区域:打卸压孔卸压，孔径110 mm，孔间距3～5 m。

b)高度危险区域:打卸压孔卸压，孔径110 mm，孔间距2～3 m。

c)钻孔深度:采放厚度≤3 m时，孔深12 m。采放厚度3～5 m时，孔深17 m。采放厚度5～8 m时，孔深22 m。

大直径卸压钻孔平面布置示意图见图5。大直径卸压钻孔倾向剖面示意图见图6。

开采过程中要经常性打直径42 mm的孔检验危险区的应力状况，检验卸压孔的卸压效果，从而决定是否需要加密钻孔和放震动炮及断顶。

2)放震动炮卸压解危［6］。

打卸压孔后，用钻屑法进行监测检验，当煤粉量≥3.5 kg/m时，必须停止一切工作，进行放震动炮解危。

震动炮布置方式:眼深8 m，装药长度达到4 m，眼间距3 m。平行于煤层层理布置炮眼，炮眼直径42 mm。

躲炮半径按安全规程规定要大于150 m，躲炮时间要大于30 min。

钻孔施工后要及时装药、引爆，以防塌孔或将炸药压死而出现拒爆。

3 结论

生产实践表明，梁宝寺煤矿3400采区应用的防冲措施能够有效地防范冲击地压事故的发生，通过检测方法的综合运用，保证了该采区工作面的安全、顺利开采。该采区在生产过程中因为防冲措施得当，有效地防止了冲击地压的发生，使矿井能安全生产，说明该矿对冲击地压采取的防治措施是行之有效的，具有借鉴作用。

［1］于丽艳.急倾斜煤层的冲击地压危险区域划分研究［J］.山西建筑，2012(8):84.

［2］李化敏，李刚锋.平煤四矿丁5，6煤层冲击动力灾害危险区域划分的研究［J］.河南理工大学报，2011(8):392.

［3］窦林名，赵从国.煤矿开采冲击矿压灾害防治［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2006:265－268.

［4］窦林名，何学秋.采矿地球物理学［M］.北京:中国科学文化出版社，2002:56.

［5］曲效成，姜福兴.基于当量钻屑法的冲击地压监测预警技术研究及应用［J］.岩石力学与工程学报，2011(11):23－47.

［6］杜青炎，杨 超.孤岛巨厚砾岩层冲击地压预测预报及综合防治［J］.中州煤炭，2010(7):93.