冲击地压工作面缩面工程实践及防冲技术应用分析

杨伟民

（中天合创能源有限责任公司门克庆煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017399）

1 工程概况

中天合创门克庆煤矿地处内蒙古乌审旗图克镇，井田面积约94.66 km2，产能0.8 Mt/a。井田构造简单，总体为一向西倾斜的单斜构造，倾向270°左右，地层倾角1°～3°。矿井主采侏罗系中统延安组3-1 煤层，经鉴定3-1 煤层具有强冲击倾向性，其顶底板具有弱冲击倾向性。3102 工作面煤厚平均4.75 m，煤层倾角平均2°，普氏系数f=2～3。直接顶以粉砂岩为主，其次为砂质泥岩、泥岩，平均厚2.7 m；老顶为平均厚度18.5 m 的细砂岩；直接底为厚度平均10.29 m 的粉砂岩。

3102采面位于井田西南侧，东邻3104工作面（未采），南邻井田边界，西邻3101 面采空区，隔离煤柱35 m。原面长300 m，采高4.75 m，安装175台ZY13000/26/55D 型液压支架，沿3-1 煤底板回采，采用长壁后退式一次采全高综采。由于原回风巷受冲击显现影响，围岩变形严重，难以满足生产需要，故对工作面实施缩面改造复产工程。

2 冲击地压显现及原因分析

2.1 冲击地压显现事件

工作面回采期间，超前压力较大，冲击显现事件多集中在回风巷超前40 m 范围，出现鼓帮、顶板下沉、单体损坏、煤块突出、底鼓等现象。工作面推采至930 m 时，发生最严重的冲击显现，超前工作面约90 m 范围出现单体、木垛歪斜；煤柱帮局部煤体溃出、木垛倾倒；巷道严重破坏区域范围约40 m，顶底板最大移近量约2.0 m，最大底鼓量约1.2 m，严重破坏区回风断面缩为原断面的约三分之一。自冲击显现后，工作面无法形成正常的通风系统，工作面停产。

2.2 原因分析

根据震源区域钻孔可知，煤层上方34.8 m 对应的62 m 厚中粒砂岩为坚硬储能关键层。随着工作面推采，采空区直接顶充分冒落，裂隙带逐步向上发育，覆岩离层面积逐渐增大，关键层发生弯曲破断并释放弹性能量，引起大能量震动，诱发3102工作面回风巷冲击显现。同时，3101 与3102 采空区联合作用，上覆岩层处于运移活跃期，35 m 煤柱支承作用难以与覆岩运动达到平衡状态[1-3]。

3 缩面方案的制定

根据回采期间微震影响范围及3-1 煤不同煤柱尺寸应力数值模拟结果，采取新开掘二号回风巷，将回风巷侧煤柱由35 m 增加至120 m，面长缩短为214.6 m（拆除127～175#支架）。

主要流程：首先，向采煤方向掘进新二号回风巷，与工作面贯通后，工作面推采13 m 进行挂网上绳工作；完成顶板铺网后，工作面停采，在支架前方采用综掘机向原回风巷方向扩刷80 m 长回撤通道；最后，对80 m 范围内的综采设备进行回撤，完成缩面工作。如图1。

图1 3102 工作面缩面回撤平面图（m）

4 冲击地压防治技术及应用分析

4.1 大直径钻孔卸压

（1）迎头大直径钻孔卸压。二号回风巷及回撤通道刷扩综掘施工期间，迎头施工超前卸压钻孔。钻孔方位角与巷道平行，钻孔倾角0°，孔深25 m，孔径150 mm，每组钻孔3 个，三花布置，每掘15 m 后重新施工超前卸压孔。

（2）帮部大直径钻孔卸压。① 新二号回风巷两帮卸压钻孔垂直巷帮，倾角0°，孔深20 m，孔间距1.5 m，孔径均为150 mm，在综掘机后10 m向迎头方向施工；② 回撤通道施工前在工作面内煤壁方向每隔3 m 施工孔径150 mm 的钻孔，孔间距20 m，提前对回撤通道区域工作面前20 m 的煤体进行卸压，使回撤通道处在低应力区。

4.2 顶板深孔预裂爆破

为弱化3102 工作面35 m 煤柱区域集聚的高应力，采用深孔爆破对煤柱区老顶进行预裂处理。预裂范围走向超前工作面25 m，倾向对回风巷留设5 m 预裂保护带。在机尾（170#）架间施工3 个顶板预裂孔，具体参数见表1。

表1 3102 工作面机尾区域顶板爆破孔参数表

4.3 矿压监测数据分析

（1）微震分析

自工作面复采至挂网结束，工作面区域共监测到微震事件14 个，其中超过104J 以上事件数2 个。推采第2 个循环时出现2 个事件，能量小于100 J，之后5 d 内均未监测到微震事件。通过施工钢丝绳固定锚索可知，顶板上方3～4 m 均出现离层。25 日夜班出现100 J以上的事件，且事件位置发生在面前，二号回风巷至机尾段推进距离一致。该段受超前支承压力影响，直接顶靠上部位岩层有出现提前断裂现象，后续推采期间支架受直接顶垮落影响工作阻力出现上升，工作面推采进入常规受力状态，监测到的事件数和能量均增大，见表2。

表2 挂网期间微震事件统计

（2）支架工作阻力分析

工作面推采挂网期间支架日平均工作阻力的变化情况如图2。工作面整体压力在30 MPa 以下（排除10 月20 日和31 日），压力变化幅度不大，未出现来压迹象，工作面顶梁上部老顶悬臂长度未达到破断极限，停采前老顶仍处于稳定状态。19、20日进行上网施工，工作面处于等压状态，由于停产期间直接顶已出现离层并压实支架顶梁，生产两个循环后直接顶受扰动充分垮落，作用在支架顶梁上，压力升高至33 MPa 左右。

图2 工作面支架日均工作阻力变化图

从10 月28 日开始施工置换区锚索后，平均每天推进1 个循环，工作面支架日平均工作阻力呈上升趋势，并在31 日达到峰值。由于31 日施工完最后1 个循环后支架未拉移，以便于施工锁口锚索，空顶距离大、时间长，支架工作阻力上升到峰值。说明顶板下沉量随空顶时间增大而增大，不利于顶板的控制，且推进速度降低后，支架顶梁上部直接顶离层后不能充分垮落，基本顶受损伤后裂隙发育程度大，作用在支架顶梁上的重力越大，支架工作阻力逐渐增大[4-7]。

5 结论

（1）掘进过程中采取迎头大直径钻孔超前卸压和帮部大直径钻孔卸压将局部高应力转移到煤体深部，造成煤体局部破裂，降低了强度和弹性能，使煤体前方一定范围成为安全区，起到了安全掘进的效果。

（2）长期停产的工作面直接顶会出现离层，基本顶裂隙充分发育受损变形后形成稳定结构，工作面推采初期，基本顶悬臂长度短，未达到破断极限，对应监测到的微震事件较少，随推采距离增加，基本顶悬臂长度增加开始出现破断，微震事件数增加，并出现大能量事件。

（3）采用综掘机掘回撤通道，回撤通道顶板一侧受煤壁支撑，一侧受支架支撑，类似正常巷道受力，对顶板起到有效的保护作用。

（4）冲击地压工作面缩面技术的应用，有效解决了受冲击后工作面设备安全回撤的问题，避免了设备的丢失，实现了安全推采，为受冲击地压影响的新建矿井提供了宝贵经验。