煤矿采煤生产过程中冲击地压防治技术

李同胜

（枣庄矿业（集团）济宁七五煤业有限公司，山东 济宁）

引言

冲击地压是煤矿采煤生产过程中常见的灾害之一，也是世界范围内采煤工程中难以解决的问题，所以如何缓解冲击地压灾害，已经成为我国煤矿采煤生产工程的重要课题。冲击地压主要是由煤矿采煤生产所带来的危险，因开采活动导致煤矿原应力场发生变化，如果应力的再分布达到岩体破坏临界值，那么就会受很多外界因素的影响出现冲击破坏事故，所以世界各国很多学者从冲击地压的强度、能量等不同角度，提出了一系列重要理论，本文基于相关理论以及冲击地压的分布机理，深入研究煤矿采煤生产过程中冲击地压防治技术，为相似煤矿开采事故的预防工作提供参考。

1 冲击地压防治技术设计

1.1 预测煤矿工作面冲击地压

冲击地压是煤矿采煤生产过程中常发生的一种动力灾害[1]，在实际的煤矿采煤生产过程中，不仅需要考虑冲击地压的预测精度，还需综合考虑预测工作的安全性[2]，所以本文引入电磁辐射法对工作面冲击地压进行连续、动态且非接触性的预测。结合相关煤矿采煤经验，本文选用YHC72 矿用本安型电磁辐射监测仪，对煤矿综采工作面的冲击地压进行预测，该监测仪的基本参数如表1 所示。

表1 YHC72 矿用本安型电磁辐射监测仪参数

YHC72 矿用本安型电磁辐射监测仪不仅可以实现非接触、定向的冲击地压预测，而且信号的采集、储存、处理等工作仅由该监测仪独立完成，有利于煤矿冲击地压防治工作。在利用YHC72 矿用本安型电磁辐射监测仪预测煤矿采煤生产过程中的冲击地压时[3]，首先利用监测仪对煤矿工作面全部测点进行电磁辐射检查，并采集各测点的电磁辐射数据，求出电磁辐射变化的临界值：

式中，E0表示煤矿综采工作面电磁辐射强度的临界值；表示电磁辐射强度的平均水平；M0表示煤矿综采工作面电磁辐射脉冲数的临界值；表示电磁辐射脉冲数的平均水平；η表示常数[4]。

1.2 划定工作面的冲击危险区域

首先本文通过综合指数法对煤矿综采工作面冲击地压的危险等级进行判定[5]，煤矿自然环境对工作面冲击地压危险等级的影响程度计算公式如下：

式中，P1表示根据煤矿自然地质环境确定的工作面冲击地压危险性指数；Zi、Zimax分别表示煤矿第i 个自然地质环境因素的实际冲击危险性指数与最大指数值；N 表示煤矿自然地质环境影响因素的数量。同时，确定煤矿开采生产对工作面冲击地压危险等级的影响程度计算公式如下：

式中，P2表示根据煤矿采煤生产技术因素确定的工作面冲击地压危险性指数；Si、Simax分别表示煤矿第i个采煤生产技术因素的实际冲击危险性指数与最大指数值；n 表示煤矿采煤生产技术因素的数量。根据式（3）与式（4），即可求出煤矿综采工作面冲击地压危险等级的综合评定指数，计算公式如下：

式中，P 表示煤矿综采工作面冲击地压危险性综合指数评价指标，取值范围为[0,1]。本文根据式（5）所求煤矿工作面冲击地压危险性的综合评价指标，对危险等级进行划分，如表2 所示。

表2 煤矿工作面冲击地压危险等级

然后，划定冲击危险区域。综合考虑煤矿综采工作面各个区域的危险等级评定结果，以绿色、黄色、红色代表工作面冲击危险区域的分区分级标记结果，如图1 所示。

图1 煤矿工作面冲击危险区域划定结果

如图1 所示，将煤矿工作面危险等级评价结果为Ⅲ的区域，圈定为强冲击危险区域，该区域出现冲地压灾害的可能性较大，需要进行卸压解危工作；将煤矿工作面危险等级评价结果为Ⅱ的区域，圈定为弱冲击危险区域，该区域存在出现冲击地压灾害的可能性，需要进行实时的冲击地压监测与预测工作；将煤矿工作面危险等级评价结果为Ⅰ的区域，圈定为无冲击危险区域，该区域不存在冲击地压灾害，无需采取任何措施，正常进行采煤生产即可。

1.3 大直径钻孔卸压

在利用大直径钻孔卸压技术进行煤矿采煤生产过程中冲击地压卸压解危时，首先需要确定钻孔区域，根据文中上述内容划定冲击危险区域后，将冲击危险等级为Ⅲ的区域作为钻孔施工区域。然后确定钻孔施工的相关参数：一是钻孔直径，该参数直接影响到卸压质量，本文结合煤矿实际地质条件，选用直径为150 mm 的钻孔；二是钻孔的深度，只有达到煤柱内部高应力区域的钻孔深度，才能达到预期的卸压效果，所以本文通过求解煤体峰值点距离煤巷帮的距离D，来确定钻孔深度，其计算公式如下：

式中，α 表示煤矿的侧压指数；H 表示煤矿中煤层的采高；δ表示煤矿中煤层的摩擦角；β表示煤矿的应力集中指数；g 表示煤矿岩体的容重平均值；h 表示煤矿煤层的埋深平均值；f1、f2分别表示煤矿中煤体的粘聚力和支护阻力。将煤矿实际采煤生产数据代入式（6）即可求得煤矿煤体峰值点与巷帮之间的距离，在进行大直径钻孔施工时，保证钻孔深度大于距离D 即可。三是大直径钻孔之间的排距，一般来说，在大直径钻孔施工时，受钻应力集中的影响，孔周围会出现破碎区与塑性区，所以为保障钻孔卸压效果，以钻孔周围塑性破坏区的半径孔周围作为孔间距，这样可以在最大减小煤矿岩体冲击倾向性的同时，避免出现冲击地压，其计算公式如下：

式中，ε表示钻孔周围破坏区的煤矿岩体破涨系数；r表示大直径钻孔的半径。最后，根据上述钻孔施工参数，确定大直径钻孔的布置方式进行钻孔施工，如图2所示。

图2 煤矿工作面强冲击危险区域的布孔方式

如图所示，采用双排布孔的方式，各钻孔呈“三花”交错的形式，且底排钻孔的倾角和煤矿煤层的倾角保持一致。大直径钻孔卸压完成后，用黄泥封堵钻孔，避免钻孔漏风，再严格按照相关措施对解危效果进行检验，检验合格后方可继续进行采煤生产作业。

2 实例分析

2.1 工作面概况

某工作面位于我国东部煤区的4 煤层，呈“刀把形”的布置方式，因该工作面存在一定缩面区域，所以煤矿采煤生产施工较为困难。该工作面是继Ⅱ3采区01 工作面开采结束后开采的第二个工作面，埋深约1 250 m，在工作面上方是01 工作面的采空区，下方是实体煤，如图3 所示。

图3 实例工作面情况

如图所示，由于该工作面与01 工作面的采空区相连，所以在采煤生产过程中，受01 工作面采空区以及断层的活化影响，其冲击地压危险程度极高，急需开展冲击地压防治工作。首先在该工作面的巷道底煤处设置卸压孔，卸压孔的布置条件如表3 所示。然后根据上表中所示的钻孔参数，按照本文设计防治技术对该工作面进行钻孔卸压。

表3 实例工作面卸压孔布置条件

2.2 效果检验

本次监测地点设置在覆盖工作面的超前支撑压力影响区，也就是工作面前方120 m 左右的区域，监测孔的布置方案如图4 所示。

图4 钻屑法监测孔布置方案示意

在监测过程中，及时记录每米钻孔的钻屑排出量，以及钻孔过程中发生的卡钻、微冲击等动力现象，然后根据钻屑监测结果，确定该工作面的钻屑量临界指标，见表4。

表4 煤矿工作面钻屑量临界指标

那么本次对实例工作面采用钻屑法进行效果检验时，所得检验结果如图5 所示。

图5 卸压解危后工作面钻屑量

从上图可以看出，该工作面不同开采深度下的煤粉量监测数据均在设定的临界值之下，随着钻孔深度的增加，该工作面的钻屑量呈上升趋势，但整体一直维持在一个较低的水平上，最大钻屑量也未超过8 kg/m，说明此时该工作面的冲击低压成功卸压，冲击危险已经得到解除，进一步证明了本文设计防治技术可以对工作面的冲击地压进行有效卸压解危，进而保证煤矿采煤生产的安全。

结束语

针对我国煤矿采煤生产过程中冲击地压事故频发的情况，本文设计一种冲击地压防治技术，文中在对煤矿冲击地压进行预测及冲击危险区域进行划分后，结合其诱发机理采用了钻孔卸压的防治方案，经现场测试发现，本文设计技术对冲击地压的卸压解危效果显著，可以为我国煤矿采煤生产过程中冲击地压防治提供依据。今后将针对更多的冲击地压防治技术进行深入研究，为推动我国煤矿采煤生产安全做出贡献。