综放工作面冲击地压预警防治技术研究与应用

2022-03-19周刚

煤炭与化工 2022年1期

周刚

（陕西火石咀煤矿有限责任公司，陕西咸阳 713599）

随着我国煤矿开采强度的增大和开采年限的增加，许多矿井转入深部开采，冲击地压逐渐成为影响煤矿安全生产的主要因素[1-4]。从1985 年—2019年，我国冲击地压矿井由32 个增加至185 个，发生频率和强度均有明显增长。因此，对于受冲击地压威胁的矿井，建立一套有效的防冲预警和控制系统，对实现煤矿的安全生产具有重要意义[5-7]。

1 概况

陕西火石咀煤矿8704 工作面位于七采区，工作面北侧为8706 采空区，南侧为8702 待掘工作面，东侧为矿井3 条集中大巷，西侧为薄煤层边界。工作面所采煤层为延安组4-2层，煤层厚度3.0~11.6 m，平均厚度6.5 m。煤层普氏系数为1.5 ~3.5，中间硬度较大，顶底板附近硬度较小，煤层倾角为0~5.4°，为近水平煤层。工作面附近210地质钻孔的柱状图如图1 所示。

图1 210 地质钻孔柱状图Fig.1 Columnar of No.210 Borehole

8704 工作面开切眼长度为200 m，设计推进距离1 644 m，工作面标高421.6—487.7 m，地面标高977.4—1 082 m。工作面采用走向长壁支撑掩护式低位放顶煤支架支护，综采放顶煤采煤，SSJ1200/4×315 kW 可伸缩皮带运煤。机采高度3 m，放顶煤高度0 ~ 3.5 m，采煤机截深800 mm，放顶煤步距800 mm，一刀一放，多循环作业。

2 冲击地压监测预警设计

2.1 冲击地压影响因素

根据8704 工作面的地质条件和生产条件，结合冲击启动理论分析，工作面回采期间冲击发生的主要影响因素有2 点。

（1）煤层埋藏深度。8704 工作面4-2煤的平均埋深为592 m，最大埋深640 m，区域静载压力大，如果超过了煤体的极限强度，则有可能诱发冲击地压。

（2）煤岩物理力学性质。根据冲击倾向性鉴定结果，该矿7 采区4-2煤具有一定的冲击倾向性，顶底板均有弱冲击倾向性。该类煤岩体受高压影响，在极小扰动下都有发生冲击地压的可能。

2.2 冲击等级评价

通过综合指数法确定8704 工作面的冲击危险性评估指数为0.29。该工作面在回采过程中有弱冲击危险性，危险区域划分为I 类，回采期间整个工作面为弱冲击危险区域。

3 冲击地压监测预警方案

3.1 分级预警防治方案

冲击地压的监测与预警是防冲工作的前提与基础，对于尽早发现潜在的冲击区域、及时采取有效措施具有重要的意义。对于掘进巷道和工作面回采主要的监测手段有2 种：地应力测量、钻屑法等岩石力学方法；微震、应力监测等地球物理方法[8-9]。不同的监测方法分别监测冲击地压的不同影响因素，形成了图2 的分级监测预警方案。

图2 冲击地压分级监测预警方案Fig.2 Grading monitoring and early warning scheme of rockburst

3.2 动载监测方案

《防治煤矿冲击地压细则》明确规定，采用微震技术监测冲击地压时，监测系统的布置应当覆盖整个采掘区域。采用KJ551 微震系统对全矿冲击地压工作面进行无间断实时在线监测。在8704 工作面两顺槽布置微震监测系统。运料巷中超前工作面前方100 m 布置1 组检波器，一共布置3 组，间距为150 m，运输巷超前工作面前方150 m 布置1 组检波器，一共布置3 组，间距为150 m。两巷检波器交替布置。当工作面推至检波器后方80 m 时，外移检波器，保证工作面前方150 m 处于监测范围中。

3.3 静载监测方案

根据冲击地压防治细则的规定，可采用钻屑法对局部冲击地压区域进行监测。在煤层中施工钻孔，利用钻屑法进行局部监测。钻孔直径为42 mm，孔深为10 m。根据8704 工作面冲击倾向性评价结果，钻孔间距为30 m，钻孔距底板的高度为1.0 m，单排布置，垂直于巷帮。工作面前方100 m 范围之内，3 d 进行一次，每次钻孔数量不少于3 个。钻屑法钻孔布置如图3 所示。

图3 钻屑法钻孔布置Fig.3 Drilling arrangement of cuttings method

3.4 应力监测

冲击地压的发生是煤层静载和工作面动载共同作用的结果。因此在开采具有冲击地压倾向的煤层时，还需对工作面的超前支承压力等进行观测。应力监测主要是对巷道及工作面前方的应力分布及大小、峰值和支承压力变化情况等进行记录。

在两巷内超前工作面20 m 开始，间距25 m 开始布置应力观测站，每个测站布置2 个测点，钻孔的深度分别为8 m 和14 m，孔间距为1.0 m。测点布置在工作面前方300 m 范围内，当进入工作面前方10~15 m 时，依次前移传感器，确保超前支承压力始终在监测区域内。具体布置方案如图4 所示。

图4 工作面应力传感器布置示意Fig.4 Layout of stress sensor in working face

4 冲击地压防治措施

4.1 大直径钻孔卸压

大直径钻孔卸压技术一般用于掘进头和工作面煤帮中，是一种预防性防冲技术[10-12]。通过施工大直径的卸压钻孔，释放浅部应力，并促使围岩集中应力向深部转移。

一般工作面前方超前支承压力影响区是冲击地压发生较多的区域，是防控的重点。因此，在该范围内施工大直径钻孔效果较好。在工作面两巷向垂直回采帮施工钻孔，直径为100~150 mm，钻孔深度为20 m，间距为3 m，钻孔位于底板以上1.0 m的位置。

4.2 煤层注水

煤层的单轴抗压强度随含水量的增加而降低，通过高压及静压注水，提高煤层中的含水量，可以起到软化煤体的作用[13-14]。在工作面前方150 m 范围内进行注水，注水孔的深度为150 ~200 m，封孔长度为25 m，注水孔的间距为20 m，注水孔垂直巷道布置，位于巷道中部。注水孔的直径为75 mm，注水压力平均为8 MPa，当压力低于5 MPa时，停止注水。注水孔布置如图5 所示。

图5 注水孔布置Fig.5 Layout of water injection hole

4.3 煤体爆破卸压

在工作面回采期间，如果通过微震监测系统、在线应力系统以及钻屑法等监测到冲击地压危险区域，而以上防突措施效果不理想时，可以进一步采用爆破卸压的方式。在钻屑法测量的过程中发生吸钻、顶钻等现象时，在该孔以及前后各5 m 范围内进行爆破，直到无动力现象为止。正常情况下，在危险区域前后各15 m 范围内爆破，爆破钻孔深度大于10 m，直径为42 mm，单孔装药量不大于5 kg，封孔长度不小于三分之一。爆破顺序应当从工作面向停采线依次进行，使得高应力远离工作面，保证回采安全。