下沟煤矿ZF303 孤岛工作面冲击地压防治技术研究

2022-01-20史锐

煤矿现代化 2022年1期

史锐

（陕西华彬煤业股份有限公司, 陕西咸阳 713500）

0 引言

近年来，随着矿井开采深度不断延伸，冲击地压危险不断显现[1~2]。事故多发于工作面回采过程中，且综合机械化放顶煤开采方式更容易出现冲击地压事故[3~5]。下沟煤矿ZF303 工作面埋深较大，回采工作面采用综合机械化放顶煤开采，为防治回采过程出现冲击地压事故，本文通过对该矿目前地压情况进行了综合分析，总结了出现冲击地压事故的危险源，通过微振技术对现场工作面地压情况进行了动态考察，制定了相应的防治措施，并进行了后期效果考察。研究结果对该煤矿以及相同情况其他矿井冲击地压防治工作具有一定的指导意义和现实意义。

1 ZF303 工作面概况

下沟煤矿主采4 号煤层，煤层平均厚度11.5 m，夹矸3 层，煤岩情况见表1。

表1 4 号煤层顶底板情况表

经鉴定，4 号煤层及顶底板冲击倾向性属于Ⅱ类，即弱冲击地压，鉴定参数见表2；其中绝对瓦斯涌出量为41.8 m3/min，相对瓦斯涌出量7.65 m3/t，为高瓦斯矿井；属Ⅱ类自燃煤层，煤尘具有爆炸性。

表2 4 号煤层冲击倾向性测定结果

工作面走向长度2 877 m，倾斜长度168 m，工作面整体埋深350 m，埋深较深。工作面采用综合机械化放顶煤采煤法开采，顶板采用全垮落方法管理

2 冲击地压现状分析

2.1 地质影响

ZF303 工作面平均埋深350 m，上部20 m 范围内存在厚度大于10 m 的砂岩，由于砂岩本身硬度较大，而且比较脆，具有一定的吸能左右，当距离顶板较近距离范围内存在砂岩会导致顶板放顶较难，而一旦回采步长达到砂岩承接应力临界点，就会导致工作面整体垮塌，形成较大冲击地压事故。根据大量案例分析，埋深小于350 m 时，冲击地压现象一般不会发生；埋深介于350～500 m 之间，冲击地压危险性呈线型增长趋势；埋深介于500～800 m 之间，冲击地压危险性的发生会加剧；当埋深超过800 m 时，地应力一般超过煤层抗压强度，矿压管理不善，极容易发生冲击地压导致的煤岩爆裂伤人事故。

2.2 开采情况

ZF303 工作面为孤岛工作面，两边的ZF304 工作面和ZF302 工作面都已经回采完毕，预留30～80 m 的煤柱。开采情况如图1 所示；两边工作面均回采完毕后会导致断面应力分布产生孤岛现象，影响ZF303 工作面回采过程中的地压分布情况。

图1 开采情况图

2.3 回采过程

回采期间，工作面采用综合机械化放顶煤开采，放顶过程中，上覆岩整体垮落，因此顶板管理不当必然产生冲击地压危险。

3 岩层应力模拟考察

为研究回采过程中ZF303 工作面围岩应力分布情况，现对推进至距1 号断面10、30、60 m 情况下断面围岩应变情况进行数值模拟。断面布置见图2。

图2 模拟断面位置图

煤岩是多孔介质，因此采用流-固耦合模型，顶板为细粒砂岩，底板为铝土质泥岩，不同岩石力学参数见表3；通过数值模拟得到应力分布云图3。

图3 应力分布图

表3 岩层基本参数表

由图3 可知，随着工作面不断推进，煤岩应力不断增大，回采面距离1 号断面60 m 时，断面切片应力不会出现集中现象，基本处于均衡状态；回采面距离1 号断面30 m 情况下，断面切片显示应力开始显现，断面最大应力为3×1 010 Pa；当回采面距离断面10 m 时，断面最大应力为3×1 010 Pa，煤岩及顶板岩层基本达到应力极限，出现断裂破碎等现象。

4 冲击地压防治技术

为有效解决ZF303 工作面冲击地压问题，现进行工作面回采期间卸压。主要方法为施工卸压孔和深孔预裂爆破的方法，对于弱冲击地压区域以施工卸压孔为主，当遇到煤体坚硬或卸压孔无法达到卸压要求时使用预裂爆破的方法进行卸压[6~8]。

4.1 大直径钻孔卸压

设计钻孔孔径133 mm，对评估具有弱冲击地压的区域施工钻孔孔间距3 m，中等冲击地压危险性区域施工钻孔孔间距2 m，运输巷向工作面方向施工钻孔孔深25 m，向煤柱方向施工钻孔孔深15 m；回风巷卸压钻孔施工和运输巷卸压钻孔施工基本一致；由于ZF303 工作面底煤厚度为1.5～2 m，因此有施工底板卸压孔的必要。各钻孔参数见表4；钻孔设计如图4 所示。

图4 卸压孔设计图

表4 卸压孔参数表

4.2 预裂爆破卸压

预裂爆破钻孔孔径φ42 mm，爆破孔施工位置为冲击地压危险区域和区域前后5 m 范围内，炮眼深度10 m，爆破孔间距5 m，钻孔设计如图5 所示。钻孔均垂直于巷道，平行于煤层施工。

图5 爆破孔钻孔设计示意图

5 效果考察

为考察以上措施的可靠性，现运用微振技术对工作面围岩能量、频次进行监测监控，监测点布置见图6，监测结果见图7。各个测点基本监测结果基本一致，以1 号测点监测解果为例，能够接收到的测点基本位于工作面顶板位置，图中绿色标识测点震级，根据统计最大震级为1.38，属于弱冲击震动状态。因此可知，ZF303 工作面冲击地压危险得到有效控制。