郭屯煤矿冲击地压综合防治措施研究与应用

杨建坤

(大同煤矿集团同生煤矿生产管理有限责任公司 通风部，山西 大同 037000)

1 矿井概况

郭屯煤矿位于山东省菏泽市郓城县境内，地面标高+41.60～+45.38 m，主要含煤地层为下二迭统山西组和上石炭统太原组，首采及主采煤层为3(3下)煤层。矿井采用立井单水平上下山开拓方式，设主井、副井、风井三个井筒，井底水平标高-808 m。中央并列抽出式通风方式，属低瓦斯矿井，矿井地质类型、水文地质类型均为中等。矿井主采煤层为3煤层，开采标高-600～-1 200 m，采煤方法为单一长壁后退式采煤法，综采(放)回采工艺，全部垮落法管理顶板。一般岩石巷道采用炮掘工艺，煤巷采用综掘工艺。2019年6月经中国安全生产科学研究院鉴定，郭屯煤矿3煤层(合并区)及其顶底板均属于Ⅱ类，具有弱冲击倾向性。郭屯煤矿自2010年3月投产以来未发生过冲击地压事故，但井下煤炮、崩断锚杆等动力现象时有发生，特别随着开采范围不断增加,以及开采条件的逐渐复杂，受冲击地压的威胁越来越严重。

2 冲击危险因素分析

2.1 地质因素

(1)煤层埋深较大，部分区域已超过800 m，煤岩层本身具有冲击倾向性，已具备发生冲击地压的条件。

(2)部分区域顶底板岩层较为坚硬且厚度不均，虽然3煤层上方基岩段较薄，但有少部分区域存在厚度超过10 m的坚硬岩层，发生断裂时极易诱发矿震型冲击地压.

(3)地质构造较为复杂，目前开采区域内存在多条褶曲、断层，受采掘扰动、采空区侧向支撑应力等因素影响，易造成应力叠加。

(4)相变带影响，煤层相变带区域本身存在高应力，工作面推进至该区域时易造成应力集中。局部区域存在岩浆岩侵蚀区，应力程度较高，工作面回采过程中应力叠加，也易造成应力集中。

2.2 开采技术条件

(1)受地质构造因素影响部分工作面形成不规则、不等宽煤柱，应力叠加后，煤柱内集中的应力容易失稳，易发生冲击危险。

(2)工作面采用全部垮落法管理顶板，初次来压及周期来压现象比较明显，当采空区顶板垮落时，顶板受力由静载荷向动载荷转变，增加了冲击地压发生的危险性。

3 冲击地压监测方法

矿井区域监测方法采取微震监测法，局部监测方法主要采取应力监测法和钻屑法。坚持以防冲监测系统为基础，形成了以微震区域监测、应力在线及钻屑法局部监测为主的冲击地压综合监测体系。

3.1 微震监测法

区域监测采用24通道ARAMIS M/E微震监测系统，该系统属于中尺度微震监测系统，定位误差20～50 m，可定位较大能量的冲击事件和矿震[1]。该系统通过统计整个矿井内微震事件的震源位置、发生时间、释放的能量，进而统计微震活动的强弱和频率，并结合微震事件分布的位置判断潜在的矿山动力灾害活动规律，通过识别矿山动力灾害活动规律实现危险性评价和预警，宏观划定危险区域。

微震监测法冲击地压预警指标：

(1)掘进工作面：工作面内发生单个能量达到或超过1.0×104 J的微震事件，预测有冲击危险。

(2)采煤工作面：工作面内发生单个能量达到或超过1.0×105 J的微震事件，预测有冲击危险。

(3)24 h微震事件总能量预警值

①掘进工作面24 h之内释放总能量超过1×105 J，为日释放总能量预警。

哈哈，我赢了！林强信在我身后爆发出一串狼外婆的干笑。我忽然停下脚步，缓缓地转过身，一字一顿地说，是的，你赢了，可是我为你感到悲哀！悲哀，你懂么？你不会懂，因为你的良心被欲望淹没了。其实，你输掉了很多，很多。

②采煤工作面24 h之内释放总能量超过1×106 J，为日释放总能量预警。

3.2 应力监测法

利用KJ550、KJ615、KJ24煤矿冲击地压监测系统，通过实时监测工作面前方采动应力场的变化情况，判定高应力区及其变化趋势，实现冲击地压危险区和危险程度的实时监测预警[2]。

掘进工作面测点布置：测站间距50 m，每个测站内设置两个应力测点，埋设深度分别为8 m、14 m，测点间距0.5～1 m。应力监测重点监测区域为迎头后方50～300 m范围。掘进工作面应力在线监测系统组成如图1所示。

图1 掘进工作面应力在线监测系统示意图

采煤工作面测点布置：初次安装距切眼30 m布置1号测站，依次向外间隔25 m布置1组测站，每组测站包括2个测点，测点深度分别为8 m和14 m，测点间隔0.5～1 m。随工作面推进，及时拆卸前移，保证监测范围不小于250 m。应力计安装后进行注油打压，初始压力不低于5～6 MPa，当应力计压力值下降到4 MPa以下时，进行补油打压。采煤工作面应力在线监测系统组成如图2所示。

图2 采煤工作面应力在线监测系统示意图

应力监测法冲击地压预警指标：根据回采工作面超前、掘进工作面滞后和大巷保安煤柱煤岩体应力应变显现不同，设置了应力场预警阈值，分“低应力预警、黄色预警和红色报警”3级预警，旨在通过降低系统预警阈值，提高应力煤体预警级别，将预警与卸压工程前置，消除煤体高弹性冲击危险，避免出现黄色预警、杜绝红色报警，确保低应力保护。应力在线预警指标如表1所示。

3.3 钻屑法

通过在煤体中钻Φ42～44 mm钻孔，根据钻孔时在不同深度排出的煤粉量及其变化规律以及有关动力现象判断冲击危险[3]。一般情况使用手持式气动钻机进行施工，在检测地点巷道两侧应力集中程度无差别的情况下，在便于施工的一侧施工；在两侧受力不一样的情况下，在应力高的一侧施工。根据煤粉量预警指标及钻进过程中的动力现象判定危险程度，发现存在冲击危险立即采取解危卸压措施。同时在微震、应力在线两种监测方式判定出危险区域后，再利用钻屑法进行最终验证，发现冲击危险立即采取解危卸压措施。

钻屑法冲击地压预警指标：若钻屑量超过临界煤粉量，或在钻孔过程中出现严重的卡钻、吸钻及声响等动力现象，则判定有冲击危险，临界煤粉量指标如表2所示。

表2 临界煤粉量指标

4 防冲击地压治理措施

为保证在具有冲击地压危险的煤层中掘进安全，根据“应力三向化转移”原理，如图3所示，对具有冲击地压危险的局部区域采用大直径钻孔进行卸压[4]。大直径钻孔引起巷道深部围岩(钻孔远端附近围岩)发生结构性破坏，形成一个弱化带，引起巷道周边围岩内的高应力向深部转移，从而使巷道周边附近围岩处于低应力状态，当发生冲击时，一方面大直径钻孔的空间能够吸收冲出的煤粉，防止煤体冲出，另一方面卸压区内顶底板的闭合产生“楔形”阻力带，也能够防止煤体冲出而发生灾害。

图3 应力三向化转移原理

4.1 掘进工作面迎头卸压方案

根据岩石力学基本理论可知，巷道在掘进过程中，掘进迎头位置处围岩应力为0 Mpa，一般沿巷道掘进方向迎头前方4～6 m处为应力峰值位置，厚煤层则达到7～9 m，如图4所示[5]。

巷道在掘进过程中，掘进迎头位置的巷道塑性圈还未出现，如图5中A-A剖面；随着掘进迎头的前进，距离掘进迎头30～50 m范围内的巷道围岩出现塑性圈，且塑性圈处于动态发展演化状态，塑性圈断面范围不断扩大、围岩应力持续调整的阶段，如图中B-B剖面；当迎头前进一定距离后，距离掘进迎头30～50 m范围之外巷道塑性圈断面范围趋于稳定，巷道围岩处于动态平衡状态，如图中C-C剖面。

图4 掘进迎头超前应力分布巷道剖面图

图5 巷道断面塑性圈动态发展演化过程

在掘进工作面迎头平行于煤层施工钻孔，垂直于煤壁开孔，钻孔直径150 mm，间距0.5 m，开孔高度距底板0.5～1.5 m，深度不小于20 m，采用预留10 m保护带的方式进行循环施工。弱冲击地压危险区施工一个钻孔；中等冲击地压危险区施工两个钻孔；强冲击地压危险区施工三个钻孔。如图6所示。

4.2 掘进工作面帮部卸压方案

掘进工作面帮部卸压参数根据煤层厚度确定，主要分两种情况，帮部大直径钻孔预卸压设计参数如表3所示。

图6 迎头大直径钻孔巷道断面布置示意图

表3 帮部大直径钻孔预卸压设计参数

4.3 回采工作面卸压方案

回采工作面上方的细砂岩随着工作面的推进，悬露面积继续增大，细砂岩逐渐形成支点分别位于工作面前方和切眼后方煤体的支撑结构，如图7所示。这种结构首先在两个支撑点上表面拉坏，然后在岩梁中部下表面拉坏后断裂，有可能诱发冲击地压。因此采煤工作面回采前，两顺槽超前工作面煤壁不小于200 m进行覆盖式钻孔卸压。回采工作面帮部大直径钻孔预卸压设计参数如表4所示。

图7 老顶初次来压的力学分析

表4 工作面帮部大直径钻孔预卸压设计参数

4.4 底煤处理措施

巷道在掘进过程中受地质条件影响，存在留底煤现象的，如图8所示，采取以下措施：底煤厚度不足0.5 m的利用综掘机截割头将底煤破坏；底煤厚度超过0.5 m，必须采取钻孔断底卸压。断底卸压距掘进工作面最大距离不超过10 m，孔径110 mm,间排距为0.8～1.0 m，深度见岩为止，钻孔后及时灌水软化煤体。

图8 过断层留底煤位置示意图

5 现场防护措施

5.1 个体防护装备

现场采掘工作面配备防冲服，进入强冲击危险区域的人员必须穿防冲服。

5.2 压风自救装置

有冲击地压危险的采掘工作面必须设置压风自救系统[6]。应当在距采掘工作面25～40 m的巷道内、爆破地点、撤离人员与警戒人员所在位置、回风巷有人作业处等地点,至少设置1组压风自救装置。压风自救系统管路可以采用耐压胶管，每10～15 m预留0.5～1.0 m的延展长度。

5.3 物料生根固定

对冲击地压危险区域巷道内存放的所有物料、设备进行固定生根，我矿主要利用物料架、自制皮带条、钢丝绳等形式进行生根固定。

5.4 锚杆、锚索防崩

为防止冲击危险区域锚杆、锚索崩断伤人，对回采工作面和煤巷、半煤岩掘进迎头所有支护锚杆、锚索进行防崩。具体要求“14323”，即：“1”一根铁丝、一个方向，“4”14#铁丝；“3”一侧生根点缠绕3圈，“2”锚杆头的固定点缠绕2圈，“3”另一侧生根点缠绕3圈。

5.5 限员管理

采煤工作面和顺槽超前300 m以内不得超过16人；顺槽长度不足300 m的，在顺槽与采区巷道交叉口以内不得超过16人；掘进工作面200 m范围内不得超过9人；掘进巷道不足200 m的，在工作面回风流与全风压风流混合处以内不得超过9人。

6 结 语

郭屯煤矿严格落实“区域先行、局部跟进、分区管理、分类防治”的防冲原则，不断优化采场布局，通过对工作面布置进行分析论证，优化采掘设计，合理安排采掘顺序，从源头上避免形成应力集中区，有效降低防冲难度。近年来不断加大科研投入和技术装备的提升，坚持“一头一评价，一面一评价”，对所有采掘工作面都按要求进行冲击危险性评价及防冲设计，对动力灾害进行监测预警。通过实时预警及时采取防治措施，确保卸压到位，最大程度上降低冲击地压危害，有效避免了冲击地压事故的发生，保障了井下作业人员的安全。