冲击地压工作面危险区域治理方案

2021-02-22王小军刘二帅

陕西煤炭 2021年1期

王小军，刘二帅

(陕西小保当矿业有限公司，陕西榆林 719000)

0 引言

随着我国深埋煤层的不断开采，由开采技术等系列因素引起的冲击地压事故对煤矿安全高效生产以及工作面作业人员生命安全等造成了严重的威胁。近年来，我国许多专家、学者对冲击地压的预测、预警以及防治措施等开展了深入研究。例如，姜耀东等[1]总结了我国煤矿发生冲击地压危害的特点，同时分析了冲击地压、岩爆和矿震之间存在的联系与区别，并且建立了煤矿冲击地压的3种力学模型，即材料失稳型、滑移错动型和结构失稳型。姜福兴等[2-3]提出了一种基于自重应力基础而叠加所有冲击危险性因素产生的应力增量的冲击危险性评价方法。朱峰等[4]针对冲击地压评价系统中指标权重难确定的背景，从而提出了一种“AHP+熵权法”组合赋权方法，该方法能通过引入拉格朗日函数，建立一种优化决策模型，来确保评价时主客观权重与偏好间的一致性，进而获得各指标的组合权重。张宏伟等[5]研究了煤矿自然地质条件与开采工程扰动效应对冲击地压灾害的综合作用，并且提出了防治冲击地压灾害的预测、预警方法，同时建立了冲击地压地质条件评价和指标体系的方法。吴学松等[6-7]基于我国发生冲击地压煤矿的最新数据，从冲击地压致灾机理、监测预警和防治技术3个方面归纳了我国煤矿冲击地压灾害防控领域的研究现状，同时也从煤岩介质属性、环境应力以及赋存结构3个方面探讨了冲击地压防控机理的研究现状。曹民远等[8]采用数值模拟与公式计算的方法，得到了综采工作面过煤柱区域的应力分布，根据支承压力的主导方向，分析了掘进工作面应力扰动叠加的影响，最后提出了近直立煤层动态权重评价法的计算体系。刘少虹等[9]针对巨厚坚硬岩浆岩床下煤层大面积采空后冲击地压频发的问题，采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法对岩浆岩床破裂运动诱发冲击地压机制进行了细致研究，从而建立了大面积采空区上坚硬岩浆岩顶板的三角悬臂梁理论模型，得出了岩浆岩床应力及能量分布特征。张传玖等[10-11]为研究坚硬顶板综放工作面冲击地压的主控因素和防治技术，采用微震监测系统和冲击地压应力监测系统通过分源监测分析，发现冲击地压主控因素为高静载、强矿震和低支护强度，而多因素使得发生冲击剧烈的危险区域的支护强度较低。

为此，拟通过现场实测、理论分析等综合方法，以陕西某矿B2煤层203工作面开采为工程研究背景，确定冲击地压最危险区域，进而提出治理方案。

1 工程概况

陕西某矿的一采区位于+1 255 m水平I勘探线与Ⅶ勘探线之间，受地质构造的影响，区内褶皱不发育，断裂展布与地质构造线一致，煤层走向大致为107°。采区走向长度为4 400 m，倾向宽度为700 m，面积达3.1 km2，其南、西边界分别是矿井井田边界，东边界是东采区的东边界，北边界是201工作面采空区。203工作面位于一采区+1 255 m水平的西翼，东至运输上山保护煤柱，南至井田边界，北至201工作面，之间留设煤柱15 m；其上部是405与403工作面的采空区，标高在+1 302～+1 351 m的范围，走向长度为1 550 m，倾向宽度为180 m。一采区可采煤层共6层，研究对象为B2煤层的203工作面，其煤层平均厚度为10 m，属特厚煤层，故设计采高为3.5 m，放煤高度为6.5 m，倾角为14°。

2 203工作面冲击地压诱导因素评价

2.1 203工作面开采因素冲击危险等级评价

表1 开采因素评价指标权重计算结果

由表1计算结果，综合求得I010203工作面开采因素冲击危险评价的最终模糊评判集B。

B=wi×Ri

(1)

经计算可得，B=[0.417 0.016 0.152 0.415]。按照“置信度”识别原则进行分析所得结果，设置信度λ=0.7。由k0=min|k：∑kμi>λ，k=1，2，…，n|，计算得k0=4。由此可得，203工作面开采因素的冲击危险等级为四级，属强冲击危险等级。

2.2 203工作面冲击地压危险区域确定

根据203工作面冲击地压开采因素分析，以及冲击地压危险等级的评价结果，对203工作面冲击地压强危险区域确定如下。通过该矿开采实际资料并结合现场实测等手段，发现203工作面冲击地压强危险区域为“双面见方”的区域，即推进520～580 m的区域。该区域受其它采空区周边煤体的影响，同时为外错405采空区的煤体(即进入405开切巷后区域)。

3 危险区域防冲预警方案

3.1 防冲原则

根据对该矿煤层开采技术条件及现场预防冲击地压的实际情况，应避免煤层开采过程中前方高应力的形成。203工作面必须充分考虑冲击地压防治，做到冲击地压防治优先于回采，必须提前完成；回采时必须提前考虑与201工作面之间留设的15 m煤柱如何进行有效处理，以防止回采期间煤柱受压后其下部的运输巷与回风巷局部发生形变。此外，对于监测手段和防治措施要根据实际条件不断更新并优化，对于新的冲压防治手段要积极借鉴与使用。

3.2 防冲技术路线

为做好203工作面的矿压防治工作，不仅布置由点及面的监测预警系统，同时运用国内最有效的防治手段，即上顺槽超前预爆破、上下端头超前切顶爆破、工艺巷内超前深孔爆破等防治措施。该矿将根据203工作面开采中支承压力的动态分布特点，不断地优化完善方案，将各个防治手段联合运用，从而形成一套适合该矿综放工作面的冲压防治技术，为后期综放工作面的安全、高效回采提供技术保障。冲压防治技术路线如图1所示。

图1 冲压防治技术路线

3.3 203工作面危险区域防冲预警

3.3.1 探测系统

203工作面回采至危险区域时，开采应力的扰动与叠加是诱导冲击地压发生的根本因素。因此，对煤岩体应力分布的研究是预测冲击地压危险性的基础。本方案首先通过地震层析成像技术对探测区域内煤岩的波速分布情况进行CT成像，然后研究利用应力与地震波波速的良好对应关系来确定煤岩应力的分布情况，进而预测分析其冲击强度大小，及时采取解危措施，使应力得到释放或转向煤层深处，确保工作面安全推进。PASAT-M型预警微震探测系统如图2所示。

图2 PASAT-M型便携式微震探测系统示意

3.3.2 探测方案

高台县位于河西走廊中部，海拨1 260 m，年日照3 088 h，年平均气温7.8～8℃，年均降水量105.9 mm、蒸发量2 000 mm左右，无霜期150 d左右。冬季寒冷、干燥，夏季干热，春季多风，属大陆沙漠干旱型气候。

为了解203工作面回采前煤体应力分布情况，以及回采期间203工作面由上部实体区域进入405采空区后应力分布状况，特对203工作面进行多次应力探测，本次采用采集端位于其辅运巷，共布置12个探头，道间距15 m。激发孔共设计40个，其中运输巷激发孔35个，炮间距5 m，工作面激发孔5个，炮间距17.5 m，探测走向范围平均为150 m，可满足研究需要。203工作面回采前与进入危险区域后PASAT-M型预警微震探测布置方案，如图3、4所示。若在工作面回采至危险区域中出现临界值超标、预警装置报警等冲击危险性，应立即对危险区域解危措施进行处理。

图3 203工作面PASAT-M探测布置

图4 203工作面过405开切巷后PASAT-M探测布置

4 203工作面危险区域治理方案

203工作面冲击地压危险区域的治理方案将采取多层次解危，即首先对下运输巷危险区域在回采前进行一次解危，在回采时，再进行第2次解危。回采期间工作面卸压将采取以工艺巷超前预裂爆破为核心的防冲手段，形成对顶板、顶煤的分层、分级、双管齐下的防冲解危理念，即顶板处理方案和煤层处理方案。

4.1 203工作面顶板处理方案

顶板爆破就是将顶板破断，降低其强度，释放因压力而聚集的能量，减少对煤层和支架的冲击振动。在顶板弯曲下沉时，在条痕处形成拉应力而断裂。因此在203工作面将使用超前深孔顶板预裂爆破技术处理顶板。

顶板处理高度确定：I010203工作面采高Hc平均为10 m，设顶板崩落厚度为Hx，岩石碎胀系数ξ为1.4，为保证冒落顶板能完全充填采空区，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。根据该矿地质条件，B2煤层上部33 m处为B3煤层，依据顶板处理高度的计算，为留有一定的富余系数，暂定203工作面顶板岩层处理范围沿工作面顶板至上方25 m的垂直高度，剩余的8 m岩石在自然垮落后产生的压力，会得到有效降解，不会产生较强的冲击危险性。

炮孔直径确定：采用深孔爆破预裂顶板时，一般炮孔直径在70～100 mm。当炮孔直径较小时，装药比较困难，且爆破影响范围与炮孔爆破直径成正比关系，炮孔孔径小爆破效果较差，但当炮孔直径太大时，封泥困难，会影响爆破效果。因此，预裂顶板借鉴201工作面回采期间经验，炮孔直径为φ94 mm。

炮孔深度确定：炮孔深度主要由顶板的厚度、工作面长度、煤层倾角、孔底距离、孔口距离确定，根据这些参数用做图法进行确定。而炮孔深度不能太深，如果炮孔太长在装药中会增加很大的困难，且容易出现“卡孔”现象。

封孔长度确定：炸药爆煤岩能力与封孔长度和煤岩体抗爆强度有关。若封孔长度过短，抗爆能力降低，在爆炸时会产生抛掷漏斗影响爆破效果，特别是将破坏两巷道的稳定与支护；如果封孔长度大于其临界长度，使爆煤岩能力小于抗爆能力，爆炸时封孔段煤岩体不能形成裂隙，同样影响爆破效果。因此，合理的封孔长度，既要保证封孔段煤岩体松动预裂，同时又不能产生抛掷漏斗。根据一般情况，深孔爆破时封孔长度应为孔深的25%～30%，但考虑到爆破点距煤层顶板较近，容易造成架前漏顶事故，根据经验爆破点应控制在煤层顶板上方5 m以上。综上所述，炮眼采用ZDY-6000S、ZDY-1900、ZDY-1000型全液压坑道钻机施工，钻头为φ94 mm合金钢钻头。

4.2 203工作面煤层处理方案

基于201工作面的实际回采经验，其回采率在60%～70%之间，主要原因是顶煤大块较多，顶板不易垮落，为进一步提高顶煤的回采率，实现顶板的自行垮落，降低冲击危险性，故利用在工艺巷内施工煤层松动爆破孔，要求爆破必须超前工作面50 m左右完成爆破。利用工艺巷不仅处理顶板的同时使用煤层深孔爆破进行顶煤的预裂，孔间距为5 m，孔径94 mm。要求封孔终端距比采高高1 m，防止推进过程中，出现架前冒顶的现象，煤层松动爆破布置方案如图5所示。