煤礦深部采區(qū)沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)及防治研究

左高華

(山西焦煤 汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽(yáng)煤礦，山西　孝義　032300)

·試驗(yàn)研究·

煤礦深部采區(qū)沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)及防治研究

左高華

(山西焦煤 汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽(yáng)煤礦，山西孝義032300)

摘要基于某礦-1 000 m東一下山采區(qū)的條件，對(duì)其進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性分析，在此基礎(chǔ)上建立沖擊礦壓綜合控制體系，即開采前進(jìn)行區(qū)域性防沖優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定工作面停采線位置、上下煤層之間巷道或工作面布置、區(qū)段煤柱寬度及接替順序等參數(shù)；開采期間采取煤體大直徑鉆孔、煤體爆破及頂板預(yù)裂爆破等局部性卸壓方案；強(qiáng)沖擊煤層巷道采用“三結(jié)構(gòu)”組合加固支護(hù)，防止動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。

關(guān)鍵詞深部采區(qū)；沖擊危險(xiǎn)評(píng)價(jià)；防沖；優(yōu)化設(shè)計(jì)；卸壓；“三結(jié)構(gòu)”支護(hù)

近年來，我國(guó)煤礦相繼進(jìn)入深部開采階段，甚至一些新建礦井首采區(qū)超過千米，生產(chǎn)條件不斷惡化，一些淺部開采無沖擊現(xiàn)象的開始有沖擊動(dòng)力顯現(xiàn)，原來表現(xiàn)為弱沖擊的變成強(qiáng)沖擊，本身強(qiáng)沖擊的更為強(qiáng)烈，煤巖沖擊動(dòng)力災(zāi)害更具突出、復(fù)雜和破壞性，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)[1-3].

相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)沖擊礦壓防治問題進(jìn)行了大量研究[4-7]，但已有的工作主要集中于小尺度的采掘工作面或局部性、被動(dòng)性的防沖措施，對(duì)于大尺度的采區(qū)沖擊礦壓防治問題或具有根本性、區(qū)域性的防沖措施則涉及較少。某礦-1 000 m東一下山采區(qū)開采7、9煤層，采深普遍超過1 000 m，局部超過1 200 m，高地壓?jiǎn)栴}十分突出；礦井自進(jìn)入深部開采以來多次發(fā)生強(qiáng)動(dòng)力顯現(xiàn)，尤其是-1 000 m東一采區(qū)運(yùn)輸上山于2010年7月30日發(fā)生一次沖擊礦壓事故。本文以某礦-1 000 m東一下山采區(qū)為例，對(duì)其進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，建立沖擊礦壓綜合控制技術(shù)體系，最大限度地防止動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生。

1工程條件概況

某礦-1 000 m東一下山采區(qū)東起大屯鐵路煤柱，西至工業(yè)廣場(chǎng)煤柱，北至7煤-1 200 m等高線，南至9煤-1 000 m等高線。采區(qū)走向長(zhǎng)1 986～2 160/2 006 m，傾斜長(zhǎng)595～530/560 m，面積約1.12 km2，儲(chǔ)量1 082萬(wàn)t.采區(qū)開采山西組7、9煤層，層間距22.57～36.21/30.10 m，傾角19°～27°/23°；7煤層厚3.24～4.78/4.0 m，普遍發(fā)育1層夾矸，厚約0.2～1.0/0.5 m；9煤層厚2.60～4.06/3.44 m.采區(qū)南部邊界為7-正、7-逆f30、9-正、9-逆f30斷層。采區(qū)平面布置見圖1.

圖1　采區(qū)平面布置圖

2采區(qū)沖擊危險(xiǎn)性分析

1) 開采深度。

沖擊礦壓發(fā)生的可能性隨開采深度的增加而增大。-1 000 m東一下山采區(qū)煤層底板等高線-1 000～-1 200 m，地面標(biāo)高+35 m左右，采深普遍超過1 000 m，屬超千米深部采區(qū)，采深對(duì)其沖擊礦壓的影響非常大。

2) 煤層沖擊傾向性。

-1 000 m水平7煤彈性能指數(shù)WET=9.2、沖擊能指數(shù)KE=4.13、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT=47 ms、單軸抗壓強(qiáng)度RC=17.4 MPa，9煤彈性能指數(shù)WET=17.50、沖擊能指數(shù)KE=5.42、動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間DT=31.33 ms、單軸抗壓強(qiáng)度RC=11.93 MPa，均為強(qiáng)沖擊傾向性煤層，具備發(fā)生沖擊礦壓的能力。

3) 厚層堅(jiān)硬頂板。

煤層上方厚硬頂板容易聚積大量彈性能，在頂板突然破斷失穩(wěn)時(shí)極易導(dǎo)致沖擊動(dòng)力災(zāi)害。7煤層直接頂為厚度12 m的細(xì)砂巖，9煤層直接頂為21.50 m的細(xì)砂巖，均屬厚硬頂板，是導(dǎo)致沖擊礦壓危害的重要因素。

4) 地質(zhì)構(gòu)造。

斷層構(gòu)造區(qū)礦壓顯現(xiàn)異常，是沖擊礦壓多發(fā)區(qū)。采區(qū)南部邊界為7-正、7-逆f30、9-正、9-逆f30斷層，落差4.5～12.5 m，附近煤巖體破碎、松散、裂隙發(fā)育，對(duì)開采造成一定影響。

5) 上覆7煤煤柱。

受上覆7煤采空區(qū)遺留煤柱、工作面邊界煤柱和停采線煤柱等影響，9煤工作面高應(yīng)力集中明顯，沖擊危險(xiǎn)性較高。

經(jīng)綜合指數(shù)法分析[1]，采區(qū)沖擊危險(xiǎn)指數(shù)0.81，具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，主要影響因素為大采深、強(qiáng)沖擊傾向性、厚硬頂板、斷層及上覆7煤煤柱等。

3采區(qū)沖擊礦壓控制

3.1　采區(qū)工作面防沖優(yōu)化布置

合理的開拓、開采布置對(duì)避免應(yīng)力集中、防治沖擊礦壓關(guān)系較大[8-10].由于采區(qū)整體具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，需提前進(jìn)行區(qū)域性防沖優(yōu)化設(shè)計(jì)，從根本上防止或控制沖擊礦壓的發(fā)生。

利用FLAC2D數(shù)值模擬軟件確定采區(qū)防沖優(yōu)化設(shè)計(jì)工作面布置參數(shù)：采區(qū)優(yōu)先開采7煤層作為上保護(hù)層，使9煤處于其卸壓區(qū)內(nèi)；工作面停采線距離下山巷道不小于80 m；9煤工作面開切眼或停采線平行內(nèi)錯(cuò)7煤工作面采空區(qū)10～20 m；9煤巷道內(nèi)錯(cuò)7煤工作面10～50 m；采區(qū)工作面采用順序開采，嚴(yán)禁出現(xiàn)孤島工作面；工作面區(qū)段煤柱寬度3～5 m；工作面長(zhǎng)度不低于100 m.

3.2　工作面局部性卸壓措施

3.2.1工作面掘進(jìn)卸壓措施

1) 采區(qū)沖擊危險(xiǎn)性整體較高，隨巷道掘進(jìn)在實(shí)體煤幫及迎頭進(jìn)行大直徑鉆孔預(yù)卸壓處理，提前弱化煤體，減弱或消除沖擊危險(xiǎn)。技術(shù)參數(shù)：a) 迎頭布置1個(gè)鉆孔(超前卸壓范圍不低于5 m)，幫部孔距：2～3 m.b) 孔深15 m，孔徑125 mm.c) 鉆孔距底板1.2 m，見圖2.

圖2　掘進(jìn)期間大直徑鉆孔布置圖

2) 工作面掘進(jìn)期間，若采用鉆屑、電磁輻射等監(jiān)測(cè)到異常，首先在沖擊危險(xiǎn)區(qū)及附近或迎頭補(bǔ)打大直徑鉆孔處理，見圖3.若上述措施效果不理想，實(shí)施煤體爆破卸壓，技術(shù)參數(shù)：a) 爆破孔布置在巷道實(shí)體幫監(jiān)測(cè)異常位置及前后各5 m處或迎頭附近.b) 孔徑42 mm，孔深10 m，間距5 m.c) 炮眼距底板1.2 m.d) 封孔長(zhǎng)度5 m，裝藥量3.0 kg，見圖3.

圖3　掘進(jìn)期間爆破孔布置圖

3.2.2工作面回采卸壓措施

1) 工作面回采之前，首先對(duì)切眼前方200 m范圍內(nèi)巷道實(shí)體煤幫進(jìn)行大直徑鉆孔預(yù)卸壓處理，隨工作面不斷推進(jìn)及時(shí)前移，并保證卸壓區(qū)域始終超前工作面100 m，一般沖擊危險(xiǎn)區(qū)孔距2～3 m，劃定的中等及嚴(yán)重沖擊危險(xiǎn)區(qū)加密，其他技術(shù)參數(shù)同上。鉆孔布置見圖4.

圖4　大直徑鉆孔預(yù)卸壓布置圖

2) 工作面回采期間，針對(duì)鉆屑、應(yīng)力在線、微震等監(jiān)測(cè)到的沖擊危險(xiǎn)區(qū)，首先在危險(xiǎn)區(qū)及附近巷道實(shí)體煤幫補(bǔ)打大直徑鉆孔，鉆孔布置在原預(yù)卸壓孔中間，見圖5.若大直徑鉆孔卸壓效果不好，應(yīng)及時(shí)實(shí)施煤體爆破卸壓，技術(shù)參數(shù)同上。

若大直徑鉆孔、煤體爆破解危效果不佳，可選用頂板預(yù)裂爆破，切斷頂板，釋放彈性能，減小頂板力的傳遞。技術(shù)參數(shù)：a) 孔距5 m，孔徑42 mm.b) 孔深20 m，裝藥長(zhǎng)度10 m.鉆孔布置見圖5.

圖5　頂板預(yù)裂爆危布置圖

3.3　巷道支護(hù)

根據(jù)沖擊礦壓巷道圍巖的強(qiáng)弱強(qiáng)結(jié)構(gòu)控制機(jī)理[11]，對(duì)巷道實(shí)施“三結(jié)構(gòu)”組合加固支護(hù)，見圖6.巷道掘進(jìn)后，頂板及幫部首先采用直徑22 mm、長(zhǎng)度2 400 mm、間排距700 mm×700 mm的高強(qiáng)螺旋鋼

錨桿加金屬網(wǎng)支護(hù)，頂板實(shí)施直徑18.9 mm、長(zhǎng)度8 250 mm、間排距2 800 mm×2 800 mm的錨索加強(qiáng)支護(hù)，進(jìn)行錨桿(索)內(nèi)強(qiáng)支護(hù)；然后對(duì)巷道實(shí)體煤幫實(shí)施直徑125mm、深度15 m、間距2～3 m的大直徑鉆孔進(jìn)行充分卸壓，設(shè)置卸壓弱結(jié)構(gòu)區(qū)；最后在幫部距頂板1 500 mm處采用直徑18.9 mm、長(zhǎng)度6 250 mm、排距2 800 mm的錨索將巷幫錨桿支護(hù)體強(qiáng)結(jié)構(gòu)、卸壓弱結(jié)構(gòu)和頂板外強(qiáng)結(jié)構(gòu)串聯(lián)為整體組合加固結(jié)構(gòu)。

圖6　巷道支護(hù)斷面圖

4結(jié)論

1) -1 000 m東一下山采區(qū)沖擊危險(xiǎn)指數(shù)為0.81，具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，主要影響因素為大采深、強(qiáng)沖擊傾向性、厚硬頂板、斷層及上覆7煤遺留煤柱等。

2) 采區(qū)防沖優(yōu)化設(shè)計(jì)：優(yōu)先開采7煤層作為上保護(hù)層，使9煤處于其卸壓區(qū)內(nèi)；工作面停采線距離下山不小于80 m；9煤工作面切眼或停采線平行內(nèi)錯(cuò)7煤工作面10～20 m；9煤巷道內(nèi)錯(cuò)7煤工作面10～50 m；工作面區(qū)段煤柱寬度3～5 m.

3) 工作面掘進(jìn)期間采取煤體大直徑鉆孔預(yù)卸壓、煤體爆破卸壓解危措施；回采前進(jìn)行大直徑鉆孔預(yù)卸壓，回采期間針對(duì)監(jiān)測(cè)情況采取大直徑鉆孔、煤體爆破及頂板預(yù)裂爆破等解危措施。

4) 強(qiáng)沖擊煤層巷道采用“三結(jié)構(gòu)”組合加固支護(hù)，即錨桿(索)支護(hù)內(nèi)強(qiáng)結(jié)構(gòu)、幫部卸壓弱結(jié)構(gòu)、頂板外強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并通過錨索將三者串聯(lián)為整體組合加固結(jié)構(gòu)。

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Evaluation and Prevention and Control on Rock Burst Danger of Deep Mining Area in Coal Mine

ZUO Gaohua

AbstractBased on the conditions of a mine -1 000 m east No. 1 downhill mining area, the burst danger is analyzed. On this basis establishes the integrated control system of rock burst, namely before mining regional rock burst prevention is optimally designed, the working face mining stop line position, the roadway between the coal seam or the working face layout, the section coal pillar width, succession and other parameters are determined. During mining adopts coal large diameter drilling, coal blasting and roof presplit blasting and other local destressing scheme. Strong rock burst coal seam roadway uses three structures combination reinforcement, prevents rock burst dynamic disaster.

Key wordsDeep mining area; Burst danger evaluation; Rock burst prevention; Optimization design; Pressure relief; Three structures supporting

中圖分類號(hào)：TD324

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)12-0022-04

作者簡(jiǎn)介：左高華(1974—)，男，山西應(yīng)縣人，2012年畢業(yè)于昆明理工大學(xué)，工程師，主要從事煤礦技術(shù)管理工作(E-mail)hyzfmkj@sina.com

收稿日期：2015-11-10