倾斜厚煤层掘进工作面冲击地压防治技术的实践

弓建伟

(山西宁武大运华盛南沟煤业有限公司，山西 宁武 036700)

引 言

山西宁武大运华盛南沟煤业主采煤层属特厚煤层，煤层夹矸多，软硬煤交叉分布，导致相变带较多。采掘期间具有较强的冲击危险性。本文以该矿4504工作面掘进期间的冲击地压研究为工程背景，分析了诱发冲击的机理，以此为基础，制定了掘进期间合理的卸压及支护方案，有效控制了现场的冲击危险性。

1 工程概况

1.1 4504工作面地质概况

山西宁武大运华盛南沟煤业4504工作面为4502工作面的接续工作面，走向长度2 750 m，面长180 m，目前轨道顺槽已掘进到位，预据切眼，皮带顺槽剩余680 m，4504工作面位于矿井西翼，布置在4#煤层中，4502工作面北部，与4502工作面水平距离36.8 m，切眼距矿区边界约150 m。工作面井下标高+700 m～+77 m，头埋深在435 m～505 m，皮带顺槽沿4-5煤层底板掘进(倾角-10°～+10°)，综合机械化掘进；切眼沿405煤层顶板掘进(倾角-25°)，炮掘掘进，4煤层稳定，煤层均厚度为6.15 m，顶板以粉细砂岩为主，富水性强，底板多为泥岩、粉砂岩，工作面总体为一单斜构造，倾向北西，煤层倾角25°，掘进期间共揭露14条断层，均为逆断层，落差0.9 m～8.8 m。

1.2 4504工作面皮带顺槽掘进期间冲击地压概况

自2015年6月份4504工作面顺槽开工以来，工作面掘进期间动力现象显现较为频繁。2017年1月30日15时50分，皮带顺槽掘进到2 046 m位置时，伴随一次较大煤炮，迎头发生冲击，造成2死1伤事故，顶板冒落尺寸为5 m×4.2 m×3 m(长×宽×高)，冒落体积约21 m3，工作面停止掘进。由此可见，该工作面冲击地压危害日趋严重。

2 4504工作面冲击地压发生机理

经鉴定，4#煤层及顶底板均具有弱冲击倾向性，同时根据煤层地质资料及现场情况分析可知，诱发历次冲击的原因如下。

该矿“外力场”诱发冲击的因素：1) 自重应力，4504工作面发生的冲击现象表明工作面已经达到甚至超过了发生冲击地压的临界深度。2) 相变带集中应力，硫磺沟矿煤层总厚度为36.13 m～49.18 m，属特厚煤层，煤层经常出现夹矸，软硬煤相间等复杂赋存结构，称之为“特厚夹矸煤层”，“夹矸区域”应力分布不均，易诱发冲击地压。3) 构造应力，矿区内构造发育并分布复杂，存在构造应力诱发的冲击。上述大范围作用的外力单独或相互作用，构成了4504工作面的“外力场”，该场将作用于采掘工作面的围岩，形成“内力场内力场”中应力与煤岩相互作用的结果，是决定是否诱发冲击的关键[1]。

“内力场”诱发冲击的因素：1) 特厚高弹性地层的能量积聚型冲击，硫磺沟矿煤层厚度大，积聚大量的弹性能，在“外力场”的扰动作用下，极易发生冲击地压[2]。2) 夹矸带剪切冲击，特厚夹矸煤层“外力场”应力分布不均，导致煤体处于强剪切作用下，从而发生冲击地压。3) 变膨胀型冲击，特厚煤层围岩强度较低，在高应力作用下，形成滑移线场，容易在找动作用下发生运动，形成冲击地压[3-4]。4) 底板屈曲型冲击，底板内压杆应力屈曲破坏而发生的冲击，4504开采煤层较厚，顺槽及切眼存在底煤，且4#煤层与7#煤层之间的夹层为厚度约2 m的粉砂岩，具有屈曲型冲击的力学性能。

3 4504工作面冲击地压防治方案

根据上述分析及现场实际情况，认为4504掘进工作面具有高度冲击危险，应严格按照高度冲击地压危险区进行管理，从卸压及支护两个方面对4504工作面的冲击危险性进行防治。

3.1 4504工作面皮带顺槽掘进卸压方案

3.1.1 超前和两帮卸压方案

在工作面超前施工大直径钻孔卸压，孔深25 m，直径120 mm～150 mm，超前钻孔不小于3组。在工作面两帮进行大直径钻孔卸压，按照大于3.5倍煤层厚度的数据设计大直径钻孔卸压参数，上帮孔深25 m，考虑到下帮应力不集中，下帮设计孔深18 m，孔间距1 m，直径120 mm～150 mm，钻孔卸压滞后迎头不超过5 m。

3.1.2 底板断底卸压方案

断底采用一排爆破钻孔，在巷道右底角沿走向方向进行断底，孔间距5 m，钻孔倾角为-65°，爆破孔孔径42 mm，单孔装药量0.6 kg，正向起爆，孔内并联，孔外串联连线，一次装药一次起爆。

3.2 4504工作面切眼掘进卸压方案

切眼沿煤层顶板掘进，巷道底板以下底煤厚3 m～4 m，厚底煤沿煤层倾向及走向均有发生冲击的危险，因此切眼掘进过程中应及时对底板及两帮进行预卸压，使应力向深部转移。根据巷道附近地质钻孔显示，切眼掘进区域内底板岩柱厚度大于6 m，因此仅需对巷道底煤进行处理，由于切眼导硐宽度为3.2 m，二次扩刷宽度为4.8 m，切眼断底分为两个阶段，即切眼导剩期间和二次扩刷期间。

3.2.1 导硐施工期间

3.2.1.1 迎头及两帮大直径钻孔卸压方案

迎头卸压方案同皮带顺槽卸压方案，巷道两帮大直径卸压钻孔长度15 m～20 m，孔间距3 m，孔径120 mm～150 mm，两帮钻孔垂直煤壁施工。

3.2.1.2 底煤卸压方案

切眼导硐断底采用2排爆破钻孔卸压，防止厚底煤沿煤层倾向或走向发生冲击。1) 走向断底方案：在巷道右侧底角布置一排爆破钻孔径42 mm，孔间距2 m，钻孔方向垂直于巷帮，钻孔角度45°，长度以见45#煤层底板为准。2) 倾向断底方案：在巷道中部布置一排爆破钻孔，孔径42 mm，钻孔间距5 m，钻孔方向平行于巷道，垂直于煤层倾角施工(-65°)，长度以见4#-5#煤层底板为准。

3.2.2 二次扩刷期间

巷道扩刷后沿扩刷帮右侧底角布置一排爆破结孔，孔径42 mm，孔间距2 m，长度以见4#煤层底板为准。

3.3 4504工作面掘进支护方案

3.3.1 4504皮带槽进支护方案

调整巷道净断面至13.33 m2，两帮采用φ22 m×2 200 mm的锚杆支护，根据4504工作面情况，由于煤层倾角较大，皮带顺槽两帮均存在发生塑性滑移的危险，而锚杆长度较短，难以满足支护要求，因此需要在顺槽两帮补打错索，加强帮部煤体稳定性，错索长度在7.3 m，排距1.6 m，当顺槽发生冲击时，错网索能够悬吊顶煤及两帮均落煤体，避免发生冒顶和片帮造成二次灾害，当错索无法将煤体托住时，采用错索梁支护方式，两帮描素施工应在帮部孔卸压完毕后施工[5]。

3.3.2 4504切眼掘进支护方案

顶板采用杆、错索、W型钢带配金属网联合支护方式，左帮采用金属描杆，钢筋梯配金属网联合支护方式，右帮采用玻璃钢树脂锚杆，金属网联合支护，右帮破碎时使用钢筋梯。

4 防治效果分析

截至2019年4月7日，4504工作面皮带顺槽已安全掘进470 m，切眼已安全掘进360 m(含扩刷180 m)，期间未监测到冲击危险区域，未发生冲击事故。期间皮带顺槽共实施大孔径钻孔370个，钻孔量5 757.75 m；断底卸压钻孔113个，钻孔量623.8 m，孔径133 mm；断底爆破钻孔123个，钻孔量418.1 m，炸药85.8 kg，切眼(含扩刷)共实施大孔径钻孔165个，钻孔量2 983.75 m，孔径133 mm；断底爆破钻孔184个，钻孔量1 040.8 m，炸药161.6 kg，同时，采用钻屑法，动力现象观测法，K550型应力在线监测综合对工作面冲击危险程度进行监测，煤粉量在1.5 kg/m～3.0 kg/m之间(临界值4.06 kg/m)，动力显现明显减少，应力监测系统监测数据均在3 MPa～5 MPa之间(预警值浅孔8 MPa、深孔10 MPa)。

同时，提高了捆进工作面单进水平，皮带顺槽突破月掘进232 m(原月掘进160 m，提高45%)切眼突破月掘进80 m(原月掘进60 m，提高3%)，切眼扩刷突破月掘进180 m(原月掘进约为120 m，提高50%)，缩短计划工期约25 d，增加经济效益约1 800万元。