深部特厚坚硬顶板综采工作面冲击地压防治技术研究

2022-03-28郝旭东

山西能源学院学报 2022年1期

郝旭东

【摘要】文章针对深部开采造成的冲击地压威胁矿井安全生产的问题，以大兴煤矿2北206工作面为研究对象，采用理论分析和现场实测的研究方法探究了工作面回采期间冲击地压分区、治理措施和效果。研究结果表明：（1）2北206工作面回采期间共存在7个弱冲击危险区;（2）提出了大直径钻孔卸压、煤层超前注水和底煤卸压爆破的联合解危卸压措施;（3）现场观测结果表明：采用上述解危卸压措施后，巷道浅基点和深基点最大应力监测值分别为7.24 MPa和6.08 MPa，工作面回采期间围岩活动强度较低，超前支承压力较小，解危卸压效果良好。此研究为类似工程地质条件矿井冲击地压防治提供了参考。

【关键词】冲击地压;多因素耦合;区域划分;卸压措施

【中图分类号】 TD324 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2022）01-0015-03

随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，我国煤炭开采逐年向深部拓展。但是，随着采深的增大，且特厚坚硬顶板条件下，冲击地压危险性显著增强，严重制约了冲击地压矿井的安全高效生产。如何降低冲击地压危险，成为科研人员和矿山科技工作者关注的焦点问题。对此，张坤等通过对深部厚煤层冲击地压形成机理的分析，提出了一种深埋坚硬顶板厚煤层冲击地压的多因素耦合监测及防治方法。陈志昂采用深孔爆破技术有效防治了耿村矿13230工作面深埋坚硬顶板特厚煤层冲击地压。李亚宾对门克庆煤矿大埋深厚煤层进行了冲击危险指数评价和分区，针对不同区域的冲击地压制定了相应的解危卸压措施。

基于上述研究成果，本文以大兴煤矿2北206工作面为工程背景，对深部特厚坚硬顶板工作面回采期间冲击地压分区及防治技术进行研究，以期为类似工程地质条件矿井冲击地压防治提供借鉴。

1工程背景

1.1工程概况

大兴煤矿2北206工作面位于2#煤北翼采区，西邻2北202工作面，北靠北翼采区轨道下山，南邻F3断层，东邻2北208工作面（设计）。工作面煤层平均厚度4.0m，平均倾角22°，平均埋深660.5m，煤层赋存稳定，煤层顶底板情况如表1所示。

1.2工程问题

2北206工作面煤层平均埋深为660.5m，最大埋深为727.8m，处于冲击地压危险指数中低阶段，具备了冲击地压发生的深度条件。工作面顶板存在厚度超过10m的细砂岩，平均抗压强度为116MPa，属中等稳定、坚硬岩层，该岩层的断裂、运动易诱发矿震、冲击地压等动力灾害。此外，2北206工作面范围内断层不发育，但工作面南部靠近F3断层，存在断层诱发冲击地压危险的可能性。因此，针对影响工作面冲击危险的因素，制定合理有效的卸压解危措施，可降低2北206工作面冲击地压发生的危险性，为工作面安全生产提供保障。

2工作面冲击危险因素分析及危险区域划分

影响2北206工作面冲击地压危险的因素主要有：巷道交叉、埋深、断层、覆岩运动和工作面停采线等。根据上述因素对2北206工作面冲击危险进行分级和分区，并采用多因素耦合法对各影响因素的危险区域位置和危险等级叠加，最终确定工作面采掘期间的冲击地压危险区域及等级。

2.1覆岩运动影响区

基本顶初次破断阶段。2#煤伪顶为0.5～2.5m厚的泥岩，直接顶为30.9m厚的泥钙质胶结细砂岩，局部为泥岩夹层，老顶为16.2m厚的粗砂岩。工作面基本顶初次垮落引发强矿压显现，加之煤层强度高，极易引发冲击动力显现和较大的震动发生。由于伪顶和直接顶垮落后采空区充填密实，矿压显现不强烈。由相邻2北202工作面矿压观测结果可知，初次来压步距约为26m，周期来压步距约为11m。受到工作面开切眼倾斜和调采等影响，2北206工作面将分段来压，靠近运输巷的最上段首先来压，且来压步距将比正常工作面增长，然后分段来压到达最下端。因分段来压使得来压范围减小、来压强度降低，但下端（材料巷附近）初次来压时，可能和上端（运输巷附近）周期来压重叠。因此，基本顶初次来压前后，将轨道顺槽（材料巷）距切眼26m，运输顺槽距切眼26m处的20m范围的冲击危险等级均划为弱冲击危险。

工作面“一次见方”阶段。若工作面顶板存在硬厚岩层且采深较大，工作面初采期间，由于采空区面积较小，顶板硬厚岩层运动有限，顶板结构整体稳定。当工作面推进长度与工作面长度相同时，工作面处于“一次見方”阶段，此时工作面顶板岩层将发生剧烈运动。2北206工作面推进约110m后，工作面进入“一次见方”阶段。在工作面“一次见方”阶段，采空区顶板岩层受力发生变化，采场支承压力增大，顶板运动剧烈，易产生冲击事故，故将运输巷及材料巷“见方”前60m、后20m区域划为弱冲击危险区域。

2.2断层危险区

2北206切眼受到多条断层的影响，虽然断层落差较小，但巷道掘进的超前支撑压力与断层的侧向支撑压力叠加，会使得巷道在接近断层的过程中压力增大。此外，2北206切眼靠近F3断层，存在断层诱发冲击地压危险的可能性。故将切眼全长划为弱冲击危险区域。

2.3巷道交叉及停采线影响区

停采线影响区及在巷道转弯、交叉位置容易形成应力集中，产生大量震动，是容易发生冲击地压事故的区域。据此将停采线影响区及巷道转弯、交叉处划为弱冲击危险区，此区域包括的巷道主要有北翼采区专用回风巷、2北206材联以及2北202材联等。

2.4回采期间冲击危险多因素耦合结果

通过对上述冲击危险区的多因素耦合，共得到2北206工作面回采期间弱冲击危险区7个，分别为：2北206运输巷（从切眼至停采线，危险区长度420m）、2北206运输巷（从停采线至北翼采区皮带下山，危险区长度142m）、2北206材料巷（从切眼至停采线，危险区长度487m）、2北206材料巷（从停采线至北翼采区皮带下山，危险区长度142m）、2北206材联和第一联络巷（轨道和皮带下山与材料巷间的联络巷道）、北翼采区专用回风巷（材料巷与轨道巷之间）和2北206切眼（切眼全长）。

3工作面冲击地压解危卸压措施

3.1大直径钻孔卸压

回采巷道。根据冲击危险区划分，2北206回采巷道为弱冲击危险，在巷道回采两帮每间距3m打一个卸压孔，钻孔深16m，孔径110m，钻孔距底板0.5～1.5m;卸压钻孔从里到外施工到停采线结束;回采前，从切眼开始往外至少先施工完200m鉆孔，以保证回采后钻孔施工超前工作面200m以上。

回采工作面。正常回采期间，回采工作面不进行卸压施工。如果回采工作面煤粉监测指标超限，或微震监测出现预警，或矿压显现强烈，并经确认有冲击危险时，应进行解危卸压，钻孔布置及参数同回采巷道。

3.2煤层超前注水

2北206材料巷、运输巷各距切眼20m处开始布置注水钻孔，钻孔沿煤层倾斜方向施工，钻孔角度与煤层倾角一致，钻孔深度为35m，孔间距为15m，距切眼20m处施工的钻孔为1号钻孔，依次往外施工钻孔并编号，直到停采线为止。

超前工作面20m开始注水，封孔材料为速凝剂，封孔长度为2m，注水时间为24h。要安装压力表和注水量表，注水压力不低于2MPa，吨煤注水量为0.02m3/t。

3.3底煤卸压爆破

虽然巷道掘进期间已对底煤厚度超过1m的区域进行底板卸压，但工作面回采期间巷道底板因受超前支承应力影响而可能发生应力集中，进而导致冲击危险发生，故应在工作面回采期间对底煤进行卸压处理，以释放底板能量，降低冲击地压发生风险。具体措施为：在冲击危险区前后50m且有底煤区域内施工底板卸压爆破钻孔，孔径为42mm，孔深至底板岩层，孔间距为3m，封孔方式为全长封孔，装药方式为单孔1～2支矿用炸药，爆破方式为单孔单次起爆，并视爆破效果进行装药量增减，底煤卸压爆破钻孔布置情况见图1。

4现场应用

根据大兴煤矿2北206工作面冲击危险区域划分结果，对具有冲击危险区域进行大直径钻孔卸压、煤层超前注水和底煤卸压爆破的解危卸压措施后，对工作面回采期间超前应力进行观测和分析，超前应力测点布置如图2所示。

图3为2北206材料巷的某一次超前支承压力观测数据。由图3可知，浅基点监测到的最大应力为7.24MPa，深基点监测到的最大应力为6.08MPa，二者均低于黄色预警值。由此可见，采用上述解危卸压措施后，工作面回采期间围岩活动强度较低，超前支承压力较小，解危卸压效果良好。

5结语

文章对2北206工作面冲击地压影响因素进行分析，并进行了多因素耦合评价，共得到2北206工作面回采期间有7个弱冲击危险区。

针对2北206工作面冲击危险区提出了大直径钻孔卸压、煤层超前注水和底煤卸压爆破的联合解危卸压措施

采用上述解危卸压措施后，工作面回采期间围岩活动强度较低，超前支承压力较小，解危卸压效果良好。

【参考文献】

[1]刘威.地质条件对主采煤层冲击地压的影响研究[J].陕西煤炭，2021，40（3）：33-36.

[2]李博文.忻州窑矿8939工作面冲击地压治理技术及应用[J].同煤科技，2017（2）：21-23.

[3]张坤，方海，李邵东，等.大埋深坚硬顶板厚煤层冲击地压微震监测及防治措施[J].中国矿业，2021，30（10）：77-83.

[4]陈志昂.坚硬顶板特厚煤层的深孔爆破诱发冲击地压防治技术研究[J].内蒙古煤炭经济，2019（5）：95-96.