胡家河礦401102綜放工作面超前卸壓效果評(píng)價(jià)

王耀樓　田曉兵　胡沛

摘要：彬長(zhǎng)胡家河礦是關(guān)中地區(qū)首個(gè)出現(xiàn)強(qiáng)動(dòng)力災(zāi)害的礦井。文章研究了厚煤層綜放開(kāi)采沖擊礦壓防治技術(shù)，通過(guò)分析胡家河礦401102工作面礦壓顯現(xiàn)的特征，對(duì)其采取的頂板預(yù)裂爆破、幫部大孔徑卸壓和爆破卸壓、底板大孔徑卸壓等解危措施進(jìn)行效果評(píng)價(jià)，結(jié)合數(shù)值模擬研究得出超前解危措施的有效性，為礦井沖擊礦壓治理提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：綜放工作面；集中應(yīng)力；超前卸壓；預(yù)裂爆破；強(qiáng)動(dòng)力災(zāi)害 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TD323 文章編號(hào)：1009-2374（2016）09-0155-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.076

1 礦井及工作面概況

胡家河礦地處陜北黃土高原與隴東黃土高原結(jié)合的塬梁溝壑區(qū)，隸屬于陜煤彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)，于2008年開(kāi)工建設(shè)，2012年建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500wt/a。主采煤層4#煤，煤層厚度為0.6～27.18m，一般為10～15m，開(kāi)采深度約為640m，為深埋特厚煤層。該礦是陜西關(guān)中地區(qū)首個(gè)出現(xiàn)強(qiáng)動(dòng)力災(zāi)害的礦井。401102工作面為胡家河礦首采工作面，煤層平均厚度為23m，傾角為3°～5°，采用分層綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，全部垮落法管理頂板。401102工作面傾向長(zhǎng)度為180m，走向長(zhǎng)度為1496m，回采主要巷道均布置在煤層中，采用多巷布置，即運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、泄水巷、高抽巷，形成“一面四巷”的開(kāi)采布置方式。工作面開(kāi)采煤層厚度為13m，割煤為3.5m，放煤為10m，采放比為1∶2.8。

2 回采期間礦壓顯現(xiàn)特征

2.1 礦壓顯現(xiàn)特征

401102工作面按3.2m/天勻速回采，回采至約210m時(shí)，工作面回風(fēng)巷、泄水巷出現(xiàn)了強(qiáng)烈的動(dòng)力顯現(xiàn)，“煤炮”頻繁，巷道頂板下沉、斷面收縮、底鼓、錨索破斷、巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，頂板下沉量達(dá)750～900mm，底鼓量最大達(dá)到700mm。根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，工作面回采前200m期間頂板來(lái)壓特征及支架工作阻力見(jiàn)表1所示：

表1 胡家河礦401102工作面來(lái)壓強(qiáng)度特征

來(lái)壓次序 初次

來(lái)壓 周期來(lái)壓

1 2 3 4 5 6 平均

來(lái)壓步距/m 45 32 33 30 28 27 27 30

P老/kN 10900 9987 10098 10795 11975 12198 12576 11218

P平/kN 9120 8196 8190 8278 8356 8409 8598 8450

n 1.20 1.22 1.23 1.30 1.43 1.45 1.46 1.33

注：P老——老頂周期來(lái)壓時(shí)支護(hù)阻力平均值，kN；P平——老頂非周期來(lái)壓時(shí)支護(hù)阻力平均值，kN；n——?jiǎng)虞d系數(shù)，等于P老與P平之比值。

由表1知，工作面回采前210m期間，頂板周期來(lái)壓步距平均為30m，支架動(dòng)載系數(shù)最大為1.30，相對(duì)于放頂煤工作面而言，支架的動(dòng)載系數(shù)并不大，支架運(yùn)行平穩(wěn)；自第3次周期來(lái)壓之后，頂板來(lái)壓步距有所減小，支架工作阻力逐漸增大，最大工作阻力達(dá)12576kN，動(dòng)載系數(shù)明顯增大，最大為1.46，礦壓顯現(xiàn)劇烈。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，第3次周期來(lái)壓之后，回順、泄水巷超前200m范圍內(nèi)“煤炮”頻繁，巷道底鼓，超前支護(hù)段前頂板最大下沉量達(dá)到900mm。

2.2 超前支承壓力分布規(guī)律

采煤工作面超前支承壓力分布規(guī)律是預(yù)測(cè)及防治沖擊礦壓的主要依據(jù)之一。結(jié)合401102工作面地質(zhì)條件及生產(chǎn)實(shí)際，采用FLAC/3D數(shù)值模擬研究超前支承壓力分布規(guī)律。圍巖本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型，回采期間圍巖應(yīng)力分布見(jiàn)圖1所示：

圖1 401102工作面回采期間圍巖應(yīng)力分布圖

通過(guò)數(shù)值模擬可知，回順側(cè)超前支承壓力集中系數(shù)最大約為1.8，壓力峰值距工作面煤壁約為10m，其影響范圍為70m左右。

3 沖擊地壓治理解危措施

3.1 頂板預(yù)裂爆破

巷道頂板預(yù)裂爆破可以減少頂板對(duì)支架和煤體的壓力，即將煤層頂板破斷，從而降低巖體強(qiáng)度，釋放頂板因壓力而聚集的能量，減小頂板在變形過(guò)程中對(duì)煤層和支架的沖擊振動(dòng)。施工技術(shù)方案為：在回順超前架前泄水巷側(cè)實(shí)施頂板深孔預(yù)裂爆破卸壓，孔徑為75mm，每5m布置一個(gè)鉆孔，方位角為270°，孔深為45m，單排布置，與水平方向成75°夾角，每孔裝藥為40kg，裝藥長(zhǎng)度為17m，正向裝藥，全部封孔，孔間距為5m，施工示意圖見(jiàn)圖2所示：

圖2 頂板預(yù)裂爆破鉆孔施工示意圖

3.2 幫部卸壓措施

幫部卸壓可最大限度地釋放積聚在幫部煤體中的彈性能，在巷道幫部形成破壞區(qū)，使壓力升高區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移。施工技術(shù)方案：從超前工作面60m開(kāi)始在回風(fēng)巷兩幫實(shí)施大孔徑卸壓，進(jìn)一步降低煤體應(yīng)力集中程度，轉(zhuǎn)移應(yīng)力峰值，降低靜載力源。幫部大孔徑卸壓鉆孔長(zhǎng)度為10m，孔徑為113mm，鉆孔傾角為-60°，方位角為90°、270°，封孔長(zhǎng)度為3m，孔間距為1.4m。幫部爆破卸壓鉆孔長(zhǎng)度為10m，垂直巷幫，孔徑為42mm，裝藥量3kg，封孔長(zhǎng)度為5m，孔間距為5m。

3.3 底板卸壓措施

底板采用大孔徑卸壓措施，施工技術(shù)方案：從401102工作面回順超前架前施工大孔徑卸壓鉆孔，卸壓方位角為90°和270°，卸壓孔孔徑為113mm，孔深為10m，封孔深度為3m，孔間距為1.4m，施工示意見(jiàn)圖3所示：

圖3 底板卸壓孔施工示意圖

4 解危措施效果評(píng)價(jià)

401102工作面回順采取了頂板預(yù)裂爆破卸壓、幫部大孔徑及爆破卸壓、底板大孔徑卸壓措施后，繼續(xù)按3.2m/天勻速回采，在此過(guò)程中共監(jiān)測(cè)6次周期來(lái)壓。

由上分析可知，在401102工作面采取爆破及大孔徑卸壓措施后，頂板周期來(lái)壓步距減小，一般為22～26m，平均為23.5m，來(lái)壓期間支架最大工作阻力減小，平均為11568kN，支架的平均工作阻力有所上升，為9558kN，動(dòng)載系數(shù)平均為1.22，支架運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，礦壓顯現(xiàn)有所緩和。通過(guò)數(shù)值模擬研究對(duì)采取卸壓措施后工作面回采過(guò)程中的超前支承壓力進(jìn)行分析得出：工作面超前支承壓力峰值減小，應(yīng)力集中系數(shù)最大為1.38，峰值點(diǎn)前移至超前煤壁14m，影響范圍擴(kuò)大至超前工作面100m范圍內(nèi)。卸壓后圍巖應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖4所示：

圖4 卸壓后圍巖應(yīng)力分布云圖

綜合以上分析：頂板預(yù)裂爆破卸壓之后，作為承載上覆巖層應(yīng)力關(guān)鍵層的老頂極限破斷跨距有所減小，這是頂板周期來(lái)壓步距減小的主要原因。隨著工作面的回采，圍巖應(yīng)力不斷向煤體深部轉(zhuǎn)移，因卸壓措施卸壓造成的破壞使煤體應(yīng)力釋放、轉(zhuǎn)移，其集中程度明顯降低，從而使支架的動(dòng)載系數(shù)減弱，支架運(yùn)行較卸壓之前平穩(wěn)。超前支承壓力峰值降低，前移至超前工作面13～16m，其影響范圍擴(kuò)大，主要影響區(qū)域分布在煤壁超前8～60m，影響范圍擴(kuò)大至超前工作面120m范圍內(nèi)。

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際來(lái)看，直接頂懸頂距離減小，一般為6～12m，直接頂呈現(xiàn)規(guī)律性垮落。老頂周期來(lái)壓步距為22～26m，平均為23.5m，周期來(lái)壓期間“煤炮”頻次減少，礦壓顯現(xiàn)有所緩和，卸壓效果比較明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

胡家河礦401102工作面頂板預(yù)裂爆破、幫部打孔徑及爆破及底板大孔徑卸壓等解危措施，效果明顯，基本達(dá)到了沖擊地壓治理的目的。

（1）胡家河礦401102工作面煤層具有強(qiáng)沖擊傾向，其主要因素是煤巖體應(yīng)力集中使煤層頂板巖層突然破斷和發(fā)生位移而引發(fā)的；（2）頂板預(yù)裂爆破釋放了煤層上覆巖層集中應(yīng)力，降低了頂板巖體強(qiáng)度，減小了頂板破斷和移動(dòng)時(shí)對(duì)煤體的沖擊振動(dòng)。相對(duì)于卸壓之前，頂板周期來(lái)壓步距減小，支架動(dòng)載系數(shù)減小，支架運(yùn)行平穩(wěn)，超前支承壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移，峰值降低，但影響范圍擴(kuò)大，建議401102工作面在回采期間需加強(qiáng)超前100m范圍巷道頂板及幫部支護(hù)，以免在卸壓過(guò)程中誘發(fā)沖擊地壓造成巷道破壞及人員傷亡；（3）在巷道幫部實(shí)施大孔徑卸壓和爆破卸壓進(jìn)一步釋放了煤體內(nèi)部的彈性能，在巷道幫部煤體內(nèi)形成破壞區(qū)，使應(yīng)力升高區(qū)轉(zhuǎn)向煤體深部，但幫部卸壓措施在降低煤體強(qiáng)度，形成煤體破碎區(qū)的同時(shí)也可能誘發(fā)沖擊礦壓的危險(xiǎn)，造成突發(fā)性片幫或冒頂，建議幫部卸壓需在超前工作面150～200m施工，并加強(qiáng)超前支護(hù)，采取“強(qiáng)卸強(qiáng)支”；（4）在巷道底板實(shí)施大孔徑卸壓措施破壞了巷道底板的完整性，并釋放巷道底板積聚的能量，基本消除了應(yīng)力升高區(qū)，底鼓現(xiàn)象基本消除。

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作者簡(jiǎn)介：王耀樓（1963-），男，陜西韓城人，陜煤彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司安全監(jiān)督管理部采礦工程師，研究方向：煤礦安全管理。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）