高应力孤岛工作面掘进期间冲击地压治理与监测

赵国宏 闫春杰

(开滦 (集团)有限责任公司唐山矿业分公司，河北省唐山市，063000)

唐山矿T2051西工作面属于孤岛煤柱开采，承受煤体高应力作用，再加上受工作面扰动影响，冲击地压危险性将更加突出。针对唐山矿T2051西孤岛工作面掘进期间的冲击地压问题，采取了监测手段和防控解危措施，实现了孤岛工作面的安全掘进，对类似条件下煤炭资源的开采具有一定的指导意义。

1 工作面概况

唐山矿T2051西孤岛工作面北部为T2051、5058、5056北、5056、5054工作面采空区，南部为5050、5158、5154、5156工作面采空区，东部为F4断层，是典型的孤岛工作面开采，如图1所示。工作面区域应力高度集中，矿压显现比较明显。在其附近工作面回采过程中，曾发生过多次冲击地压事故。

图1 T2051西工作面工程平面图

T2051西工作面埋深为-502～-560m；煤层厚度2.2～2.7m，平均厚度为2.4m；煤层倾角为4°～13°，平均8°；顶板为深灰色泥岩、灰色和灰白色细砂岩。T2051西工作面区域断层发育，共有5条断层，其中一条距运输巷起点827m，其余4条均位于回风巷。2条回采巷道沿煤层顶板掘进，巷道断面尺寸为5.2m×2.5m (宽×高)。

2 T2051西工作面掘进期间冲击地压治理

2.1 冲击地压强度弱化减冲理论

在冲击地压强度弱化减冲理论中，采取松散煤岩体的方式降低煤岩体的强度和冲击倾向性，达到解危效果。T2051西孤岛工作面邻近采空区，在掘进巷道的过程中，周围煤岩体中存在着能量的积聚、转移、释放的过程。采用边掘进、边监测、边治理的强度弱化减冲技术，即工作面掘进→冲击危险监测→能量聚积→卸压措施→能量释放过程，可以将能量释放出来，减小冲击危险性，达到冲击地压治理的目的。

2.2 冲击地压危险区域划分

通过对类似条件下冲击地压案例分析，结合T2051西孤岛工作面的开采情况和构造条件，研究冲击地压发生的条件和开采环境等，并进行了危险区域的划分。根据边界型、构造型、复合型3种类型将T2051西工作面危险区域进行划分，见图1中椭圆形区域。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ区域主要是受采空区侧压影响的边界型危险区域；Ⅳ、Ⅴ、Ⅷ区域主要是受采空区侧压和断层构造共同影响的复合型危险区域；Ⅶ区域是受到5050工作面采空区侧压的影响，加上巷道布置在高应力区内，受到超前支承压力的作用，属于复合型危险区域，冲击危险性较大。其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ区域具有弱冲击地压危险，Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ区域具有较大冲击危险。

2.3 冲击地压防治技术的应用

对掘进期间已划分的冲击危险区域采用冲击地压防治技术措施进行卸压处理，防止掘进过程中发生冲击地压事故。

2.3.1 回风巷EF段掘进位置调整

T2051西孤岛工作面回风巷经过EF位置 (图1中的Ⅶ区域)，原EF回风巷位置与5050采空区煤柱最大距离为19m，由于5050工作面与5156工作面的开采原因，遗留了一部分煤柱，为尽可能的回收煤柱，使得T2051西工作面成刀把形状开采，原计划EF段回风巷距5050采空区煤柱19m进行直角拐弯，这样会进一步导致EF段巷道处于侧向支承压力高峰区，受到较大超前支承压力作用，巷道破坏性较大；通过对巷道支承压力分布特征的分析，加上对相邻工作面支承压力分布的研究，得出内应力场一般为5～7m，要使巷道处于侧向支承压力的内应力场，受到较小的支承应力作用，才能够保存巷道的完整性，经设计后改为在E1F1位置进行拐弯掘进，与5050采空区保留5m煤柱，E1F1段回风巷处于支承压力的内应力场，所受应力减小，避免了掘进期间冲击地压事故的发生，如图2所示。

图2 回风巷EF段掘进位置调整前后示意图

2.3.2 巷道卸压

采取钻孔卸压和爆破卸压方法对应力集中区域进行卸压，同时充分利用运输巷和回风巷两侧采空区遗留的原始巷道作为卸压巷，使得应力向卸压巷转移，在减小巷道侧向压力的基础上，进一步卸压处理。由于运输巷和回风巷横穿了多条已回采完毕的原始巷道，这些巷道的应力处于叠加状态，受到破坏后会失去平衡，释放积聚的能量，因此在两条巷道横穿多条老巷位置的前后5m范围内不采取卸压措施。

(1)架柱式钻机钻孔卸压。利用架柱式钻机在煤壁上打钻孔，破坏钻孔周围的煤体，使煤层卸压、释放煤层中积聚的弹性能，消除冲击危险。在运输巷掘进前期 (图1所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ位置)使用架柱式钻机在巷道煤壁上打大直径钻孔卸压，每隔1m在巷帮两侧打∅105mm的大孔径钻孔，孔深为6～10m，钻孔距离底板1.2m，如图3所示。

图3 大直径钻孔卸压示意图

(2)爆破卸压。爆破卸压是对具有冲击地压危险的区域用放震动炮方法减缓其应力集中程度的一种解危措施。爆破卸压属于内部爆破，主要作用是使煤层产生大量裂隙，裂隙导致煤体弹性模量减小，强度降低，积聚的弹性能减少，破坏了冲击地压发生的强度条件和能量条件。具体措施为在T2 051西工作面掘进过程中的危险区域 (Ⅰ～Ⅵ、Ⅷ)进行爆破卸压，使用煤电钻打孔，爆破卸压炮眼布置见图4，孔径为27mm，炮眼距巷道底板1.2～1.5m，炮眼间距为3m，孔深为8m，每眼装药量为450～750g，每次爆破孔数为3～5个，爆破后在爆破地点重新打孔，量取煤屑来验证爆破前后煤粉量大小，以确定卸压效果。

图4 爆破卸压炮眼布置

3 冲击地压监测技术

针对T2051西工作面的冲击地压危险区域划分进行具体的冲击地压监测。采用应力在线监测法监测、钻屑法监测和电磁辐射法监测相结合的冲击地压监测方法对危险区域进行实时监测。

3.1 矿压应力监测布置

应力在线监测系统对冲击地压危险区域的监测可以即时观测到监测区域的应力参数，为冲击地压的防治提供即时有效的数据。

将钻孔应力计安装在危险区域 (Ⅰ～Ⅷ区域)的巷道内，尤其是复合型危险区域 (Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ区域)观测区域煤体在静态和动压影响下的应力变化情况。具体措施为每隔70m在巷道采空区侧煤壁安装一个钻孔应力计，钻孔直径42mm；在巷道顶板中部、中线左右各1m处的锚杆端部各安装1个锚杆测力计监测巷道顶板压力；在运输巷和回风巷顶板每隔30m安装1个顶板离层仪监测顶板下沉情况，同时每隔30m布置一个巷道变形观测点，监测巷道水平变形及顶底板移近量。

3.2 钻屑法监测

钻屑法是通过在煤体中打孔、通过测量钻孔煤粉量的大小以确定相应的煤体应力状态，并结合深度和动力效果来判断煤岩体内应力集中情况，进而鉴别冲击危险性的预测方法。依据图1所划分的危险区域Ⅰ～Ⅷ对T2051西工作面的运输巷和回风巷两帮进行钻孔煤粉量的监测，根据煤粉量大小判断其危险性，同时依据钻孔钻进过程的微冲击现象和卡钻、吸钻等进行冲击危险判定。钻孔直径∅42 mm，孔深7.0m，间距5.0m，孔距底板1.2m左右，单排布置，钻孔方向为水平垂直巷帮。

3.3 电磁辐射监测

煤岩变形破裂时，将会产生电磁辐射现象。煤体中应力越高，变形破裂过程越强烈，电磁辐射信号越强。T2051西工作面采用KBD5矿用本安型电磁辐射仪进行检测，在危险区域Ⅰ～Ⅷ，特别是Ⅳ、Ⅴ、Ⅶ、Ⅷ范围内的巷道每隔10m布置一个站点进行电磁辐射检测，每个测站监测巷道两帮、底板、顶板 (在卸压巷区域不监测顶板)等多个测点。每班监测一次，每个点测量时间为2min。

对上述多种监测方法所得到的数据进行分析，结果表明所实施的冲击地压治理措施效果显著，各个监测值均小于预警值且无异常，冲击地压危险得以消除，顺利实现了T2051西工作面的安全掘进。

4 结论

在T2051西工作面掘进过程中，在对运输巷和回风巷划分了危险区域的基础上，利用冲击地压强度弱化减冲理论，改变了回风巷拐弯段位置，采用了架柱式钻机钻孔卸压和爆破卸压的措施对危险区域进行了解危处理，成功避免了掘进过程中冲击地压事故的发生。并配合钻屑法、应力监测法和电磁辐射法等监测技术实时监测，对所得到的监测数据及时进行分析、比较，掌握了T2051西工作面巷道的应力变化规律，取得了良好的经济和社会效益。

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