大采深厚煤層沖擊地壓防治技術(shù)研究

文/馬曉東

大采深厚煤層沖擊地壓防治技術(shù)研究

文/馬曉東

沖擊地壓作為一種特殊的礦壓顯現(xiàn)形式，已成為煤礦開采特別是深部開采礦井的主要災(zāi)害，嚴(yán)重威脅煤礦的安全生產(chǎn)。沖擊地壓發(fā)生時(shí)，常因煤巖體中應(yīng)變能的突然、急劇、猛烈釋放而導(dǎo)致工作面或巷道的煤巖層結(jié)構(gòu)瞬時(shí)發(fā)生破壞，造成井巷的嚴(yán)重破壞和人員的重大傷亡。義煤集團(tuán)最早有記錄的沖擊地壓發(fā)生在1998年的千秋煤礦，之后多對(duì)礦井不同程度也發(fā)生了沖擊地壓，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，經(jīng)過十幾年的不斷探索，對(duì)沖擊地壓有了充分深刻的認(rèn)識(shí)，成功應(yīng)用多種方法進(jìn)行沖擊地壓預(yù)測(cè)和防治，有效地控制了沖擊地壓的發(fā)生。

一、義馬礦區(qū)千秋礦概況

義煤集團(tuán)千秋煤礦始建于1956年，1958年投產(chǎn)，2007年設(shè)計(jì)核定生產(chǎn)能力210萬t/a，是義煤集團(tuán)的骨干礦井之一。井田位于河南省義馬市之南1～2km，義馬煤田中部，井田內(nèi)有二1（平均煤厚7m）和二3（平均煤厚15m）煤層，中間有簡(jiǎn)單夾矸，可采性系數(shù)Km= 1，屬較為穩(wěn)定煤層。

二、沖擊地壓發(fā)生機(jī)理分析

1.上覆巨厚礫巖影響

據(jù)鉆孔揭露，千秋煤礦主采的二號(hào)煤層上覆有400m巨厚礫巖層，堅(jiān)硬厚層礫巖頂板容易聚積大量的彈性能，在其破斷或滑移過程中，大量的彈性能突然釋放，形成強(qiáng)烈震動(dòng)，從而導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生。

2.煤層具有沖擊傾向性

沖擊傾向性是識(shí)別煤巖體發(fā)生沖擊破壞的能力，鑒定其是否具有發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)性的固有力學(xué)性質(zhì)，是發(fā)生沖擊地壓的必要因素之一，強(qiáng)沖擊傾向性煤體的失穩(wěn)破壞更突然、更難于預(yù)測(cè)。經(jīng)煤科總院鑒定千秋煤礦2#煤層下部分層屬于3類，為具有強(qiáng)沖擊傾向性的煤層。

3.地質(zhì)構(gòu)造影響

F16大斷層貫穿千秋礦的2#煤層，斷層為近東西走向逆斷層，落差30～400m，在采動(dòng)影響易于發(fā)生“活化”，煤層頂板巖層難以控制，尤其是當(dāng)開采區(qū)域斷層比較發(fā)育時(shí)，斷層對(duì)礦壓分布規(guī)律的影響十分明顯；并且千秋井田處在義馬煤田大向斜軸部，構(gòu)造應(yīng)力集中，增加了發(fā)生沖擊地壓的幾率。

4.礦井采深較大

千秋煤礦首次發(fā)生沖擊地壓的開采深度為449m，目前礦井開采深度已經(jīng)超過800m，沖擊地壓危險(xiǎn)性勢(shì)必進(jìn)一步增大。千秋煤礦沖擊地壓主要是底板型沖擊，沖擊地壓發(fā)生時(shí)，底板大量鼓起，說明煤層底板存在高應(yīng)力。大采深高支承壓力作用在地板上，在高應(yīng)力底板內(nèi)受采動(dòng)擾動(dòng)影響容易發(fā)生沖擊地壓。

三、沖擊地壓綜合防治措施

1.防范技術(shù)

(1)沿空小煤柱布巷。工作面上巷沿上采空區(qū)邊沿掘進(jìn)，留設(shè)煤柱寬度3～5m，把巷道布置在卸載區(qū)內(nèi)，避開應(yīng)力峰值區(qū)，減小沖擊危險(xiǎn)和巷道變形。

（2）寬巷沿底掘巷。工作面下巷巷道斷面由15m2擴(kuò)大至24m2，降低巷道煤體邊沿支承壓力；沿底板掘進(jìn)不留底煤，增大底板強(qiáng)度，減小因留底煤造成的底板沖擊危險(xiǎn)性。

（3）三級(jí)讓壓支護(hù)。掘巷后采用錨網(wǎng)索Ⅰ級(jí)主動(dòng)支護(hù)，然后架設(shè)36U可縮性半圓拱形棚Ⅱ級(jí)支護(hù)，在可縮性半圓拱棚下安裝大立柱防沖支架Ⅲ級(jí)加強(qiáng)支護(hù)，加強(qiáng)支護(hù)超前距離不低于150m，對(duì)巷道兩幫煤體及時(shí)進(jìn)行松幫卸壓，保證卸壓間隙≥300mm，避免應(yīng)力聚積和支護(hù)破壞。

2.監(jiān)測(cè)預(yù)警

（1）微震監(jiān)測(cè)。ESG加拿大微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在掘進(jìn)期間跟隨掘進(jìn)頭在上巷下幫、下巷上幫的巷道頂板上每200m安裝加拿大ESG微震監(jiān)測(cè)探頭一個(gè)，上下巷呈“品”字形布置，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面的礦震信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，確定出每次震動(dòng)的震動(dòng)類型，判斷出沖擊礦壓發(fā)生應(yīng)力源，對(duì)工作面沖擊地壓危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

波蘭微震系統(tǒng)。礦井設(shè)有波蘭ARAMIS M/E系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井大范圍的，高位巖層的低頻、高能量大微震事件的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)。

KZ-301礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)義馬整個(gè)煤田進(jìn)行礦震監(jiān)測(cè)，并定位震級(jí)，對(duì)于整個(gè)煤田礦震發(fā)生、運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究分析打下基礎(chǔ)。

（2）局部輔助監(jiān)測(cè)。采用KBD-5、KBD-7、KJ-550沖擊地壓實(shí)時(shí)在線預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配合常規(guī)的鉆屑法監(jiān)測(cè)及礦壓觀測(cè)法組成的局部監(jiān)測(cè)體系，進(jìn)行綜合預(yù)警；采用KJ216綜采支架阻力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)工作面周期來壓情況做到有效的分析和掌握。

千秋煤礦實(shí)現(xiàn)了多渠道，多手段捕捉?jīng)_擊地壓信息，形成了從井田到采區(qū)到工作面全方位的立體式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)“三級(jí)”預(yù)警體系，對(duì)研究沖擊地壓發(fā)生規(guī)律，提前預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)信息提供了技術(shù)支持，為有針對(duì)性采取防治措施提供保障。

3.解危技術(shù)

（1）煤層注水。千秋煤礦煤層單軸抗壓強(qiáng)度為22.4Mpa，煤質(zhì)硬脆，容易積聚彈性能。通過采前工作面煤層預(yù)注水（如圖1所示），使煤體強(qiáng)度在一定程度上得到弱化、軟化，降低煤體儲(chǔ)存彈性能的能力，使高應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移，減小開采過程發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)性。

圖1　注水卸壓示意圖

（2）煤層爆破卸壓。通過實(shí)施煤層爆破，使鉆孔周圍一定區(qū)域的煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂隙，在8～15m范圍內(nèi)形成卸壓帶，高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至煤體深部，能量的存儲(chǔ)和釋放空間增大，消除沖擊地壓發(fā)生條件，最大限度地避免沖擊地壓的發(fā)生。

（3）頂板爆破卸壓。實(shí)施超前頂板深孔預(yù)爆破后，在頂板中形成裂縫并促使原生裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，頂板結(jié)構(gòu)破壞，釋放頂板所積聚的能量，并促使采空區(qū)頂板冒落，削弱采空區(qū)與工作面超前區(qū)間頂板連續(xù)性，減小頂板來壓時(shí)的強(qiáng)度和沖擊性，達(dá)到防治沖擊地壓發(fā)生的目的。

（4）煤層鉆孔卸壓。作為沖擊地壓煤層治理的一種常規(guī)措施，千秋煤礦在具有沖擊危險(xiǎn)的掘進(jìn)面兩幫以及回采面下巷兩幫超前350m煤層中，實(shí)施孔深不低于20m，直徑120mm的大直徑鉆孔，使鉆孔周圍煤體應(yīng)力集中程度降低，高應(yīng)力轉(zhuǎn)移至煤體深部，起到預(yù)卸壓目的，與煤層爆破卸壓互補(bǔ)，起到了明顯的防治效果。

四、結(jié)論

通過采取沿空掘巷、沿底大斷面掘巷、三級(jí)讓壓支護(hù)等防范技術(shù)措施，使巷道避開應(yīng)力集中區(qū)，有效減少了沖擊地壓發(fā)生的概率。

通過微震、電磁輻射、礦壓監(jiān)測(cè)以及鉆屑法監(jiān)測(cè)等綜合預(yù)警手段，對(duì)于沖擊地壓發(fā)生前兆信息做到初步的了解和探究，對(duì)指導(dǎo)區(qū)域性防范措施和局部性解危措施具有十分重要的意義。

在應(yīng)力集中的煤巖體中實(shí)施預(yù)注水、爆破卸壓、鉆孔卸壓，使集中應(yīng)力得到緩解和釋放，使采掘生產(chǎn)在卸壓保護(hù)帶內(nèi)進(jìn)行。

通過微震、電磁輻射、礦壓觀測(cè)對(duì)沖擊地壓防治措施中的煤層注水、卸壓爆破、鉆孔卸壓等，進(jìn)行跟蹤效果檢驗(yàn)，使沖擊地壓防治做到了超前預(yù)警，卸壓及時(shí)，沖擊地壓發(fā)生次數(shù)逐年下降，為礦井安全生產(chǎn)做出了突出貢獻(xiàn)。

（責(zé)任編輯：李元）

作者單位：（河南義馬煤業(yè)集團(tuán)）