孤岛煤柱综放工作面开采专项防冲措施探讨

2021-06-15张严

煤 2021年6期

张严

(甘肃靖远煤电股份有限责任公司生产技术部，甘肃白银 730913)

甘肃靖远煤电股份有限公司宝积山煤矿708综放工作面位于矿井西翼，北部为706工作面隔离煤柱、南部为矿权边界保护煤柱，西部为F706-3断层，东部为材料上山保护煤柱，工作面属孤岛煤柱开采[1]，其可采走向长545 m，倾向长75 m，可采煤量50.5万t。工作面距地表垂高530～542 m，单层煤开采，厚度平均11.18 m，倾角平均4°，煤层坚固性系数为2.7。工作面煤层顶底板岩性：煤层伪顶为高炭质泥岩，直接顶为粉砂岩、泥岩层，随采随落；老顶为紫红色为主的杂色、团块状细砂岩。

1 矿压显现危险区域鉴定

根据工作面煤岩结构影响区域，即老顶的初次破断阶段、工作面“见方”阶段、工作面地质构造影响区域、沿空煤柱影响区域、巷道交叉及停采线煤柱影响等因素，总体判定整个工作面在回采过程中都将面临矿压动力显现影响，工作面全部区域属于一般及以上矿压动力显现危险区。当工作面推进时，应根据钻屑监测钻屑量变化情况及工作面支架压力监测计变化情况，及时预警，并采取相应防范措施，直至预警消除，应力恢复正常。

1.1 工作面初次来压、周期来压、见方期间矿压动力显现防范措施

工作面周期来压期间矿压动力显现防范措施。

1) 工作面初采前安装KJ24型矿压监测系统，用于监测回采期间支架工作阻力变化情况，支架压力云图显示周期来压步距为21 m左右。

2) 周期来压前，必须保证液压支架各种阀组、乳化液管接头等完好，接顶严密，初撑力达标，液压支架成一条直线。检查所有的单体支柱，保证支柱完好，并符合作业规程要求。

3) 采煤工作面落实好两道超前150 m卸压治理措施，卸压孔参数孔径133 mm，间距1.5 m，孔口与煤壁垂直距底板1.0 m，顺层布置。

4) 在工作面垂直煤帮每隔10架施工一组注水卸压孔，孔径94 mm，孔长20～50 m，距底板高度1.5 m；每周在工作面上隅角垂直顶板施工2个直径42 mm、深度10 m、间距3 m的钻孔，并进行高压注水断顶预裂。

5) 卸压后要用钻屑法检验卸压效果，如局部应力集中突显，需进行多次卸压直至解危。

1.2 工作面初次来压期间矿压动力显现防范措施

1) 工作面初采前安装KJ24型矿压监测系统，用于监测回采期间支架工作阻力变化情况，有利于更准确地推算工作面初次来压步距。结合相邻工作面老顶初次垮落步距，本工作面初次垮落步距为43 m。

2) 初次来压前，必须保证所有的单体支柱完好，液压支架支护状态良好，超前支护必须符合作业规程相关要求。

3) 老顶初次来压前在来压步距及来压步距前20 m两道各施工一组注水钻孔进行高压注水预裂。

1.3 工作面“见方”期间矿压动力显现防范措施

1) 工作面初采前安装KJ24型矿压监测系统，用于监测回采期间支架工作阻力变化情况，结合当天两道的钻屑监测数据及时分析，为“见方”期间矿压动力显现提供预测。

2) “见方”前后20 m范围双排布置卸压钻孔(在两道原卸压孔上部增加一排)，卸压孔孔径133 mm，间距1.5 m，孔口与煤壁底板垂距1.5 m，钻孔按两排呈三花眼型交替顺层布置。其他两道注水孔参数、工作面煤帮注水孔、工作面上隅角断顶预裂孔措施同上。

3) 卸压后要用钻屑法检验卸压效果，如局部应力集中突显，需进行多次卸压直至解危。

2 矿压监测

2.1 钻屑监测

工作面回采期间，其超前支承压力将随工作面推进向外转移，通过沿两道向工作面煤层打孔进行钻屑监测[2]，分析确定超前应力分布特征，便于有针对性地采取解危措施。钻屑监测每天施工一次，每次自开帮线起，在两道向外每隔15 m布置一个监测点，共布置5个点，单孔深度不小于10 m，即监测范围为工作面前方75 m，708工作面钻屑监测钻孔布置见图1。

图1 12315工作面正巷回风流硫化氢浓度变化情况

图1 708工作面钻屑监测钻孔布置示意(m)

参考相邻综放工作面钻屑值，将708工作面钻屑临界指标2～5 m暂定3.1 kg/m，6～10 m暂定4.4 kg/m。若钻屑指标超标，必须提出预警，停止工作面推进，另行制定补充措施，对钻屑超标段解危处理，直至解除预警。

2.2 工作面及超前支护区域压力监测

708工作面初采前安装KJ24型矿压监测系统，用于监测回采期间支架工作阻力变化情况，推算工作面周期来压步距。从工作面5号液压支架起每隔5架安装1台YHY60W(A)本安型数字压力计，对井下工作面支架工作阻力进行实时在线监测。出现压力突然增大等异常情况时，需作出预警，分析原因，并制定解危措施。

3 解危方案

708工作面回采期间，主要通过实施“大直径钻孔+高压注水”联合进行卸压治理[4]。

3.1 大直径钻孔卸压方案

根据宝积山煤矿708工作面煤层实际情况，考虑到理论计算误差和现场采煤进度，确定孔间距为1.5 m。钻孔呈单排垂直巷帮布置，距底板1 m，孔径133 mm，孔深15 m。回风巷右帮向工作面内顺煤层施工，左帮距F46断层面平距超过20 m时，需进行卸压处理；运输巷与706运输巷间留设煤柱平距8 m，已被压酥形成卸压保护带，故不再进行卸压处理，只对其下帮工作面侧施工大直径钻孔进行卸压，钻孔参数同前，708两道大直径卸压钻孔布置见图2。

图2 708两道大直径卸压钻孔布置示意(m)

708工作面两巷道必须提前施工卸压钻孔，保证工作面两道超前150 m卸压。钻孔卸压后要用钻屑法检验卸压效果，如局部应力集中突显，需进行多次卸压直至解危。

3.2 注水卸压方案

采用动压注水和静压补水的联合注水系统。利用高压注水压裂，软化工作面煤体从而卸压解危。

1) 注水孔间距选取为10 m，直径为94 mm，深度以保证两巷道注水孔深度穿透工作面为依据，设计孔深为50 m，切顶孔20 m。

2) 注水压力依照经验值取5.5 MPa，动压注水结束后，采用管网压力(3～5 MPa)静压进行补水，根据煤体渗水情况控制单孔注水流量。

3) 每孔动压平均注水时间42 h；静压不计注水时间。

4) 及时进行煤层注水，即施工第二个注水孔时，必须对第一个注水孔进行注水，煤壁已出水或注水压力下降30%方可停水。

5) 煤层注水效果检验：当达到注水时间后，利用钻屑法进行效果检验，确定下一轮注水要求。

两道注水钻孔均垂直巷帮布置，孔径94 mm，组距10 m，距底板1.5 m。每组2个孔，1个顺层孔深50 m，1个切顶孔倾角20°，孔深20 m。高压注水采用BRW125/20型煤层高压注水泵或7BZ-4.5/16型煤层注水泵，注水范围在超前工作面80～100 m段，注水压力5.5 MPa，采用封孔器封孔，封孔器长度2 m，封孔深度不小于5 m，注水期间将注水孔前后10 m区域的卸压孔用水泥砂浆封填处理，封孔深度2 m，708工作面注水钻孔剖面见图3。