傾斜厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓防治技術(shù)的實(shí)踐

弓建偉

(山西寧武大運(yùn)華盛南溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700)

引 言

山西寧武大運(yùn)華盛南溝煤業(yè)主采煤層屬特厚煤層，煤層夾矸多，軟硬煤交叉分布，導(dǎo)致相變帶較多。采掘期間具有較強(qiáng)的沖擊危險(xiǎn)性。本文以該礦4504工作面掘進(jìn)期間的沖擊地壓研究為工程背景，分析了誘發(fā)沖擊的機(jī)理，以此為基礎(chǔ)，制定了掘進(jìn)期間合理的卸壓及支護(hù)方案，有效控制了現(xiàn)場(chǎng)的沖擊危險(xiǎn)性。

1 工程概況

1.1 4504工作面地質(zhì)概況

山西寧武大運(yùn)華盛南溝煤業(yè)4504工作面為4502工作面的接續(xù)工作面，走向長(zhǎng)度2 750 m，面長(zhǎng)180 m，目前軌道順槽已掘進(jìn)到位，預(yù)據(jù)切眼，皮帶順槽剩余680 m，4504工作面位于礦井西翼，布置在4#煤層中，4502工作面北部，與4502工作面水平距離36.8 m，切眼距礦區(qū)邊界約150 m。工作面井下標(biāo)高+700 m～+77 m，頭埋深在435 m～505 m，皮帶順槽沿4-5煤層底板掘進(jìn)(傾角-10°～+10°)，綜合機(jī)械化掘進(jìn)；切眼沿405煤層頂板掘進(jìn)(傾角-25°)，炮掘掘進(jìn)，4煤層穩(wěn)定，煤層均厚度為6.15 m，頂板以粉細(xì)砂巖為主，富水性強(qiáng)，底板多為泥巖、粉砂巖，工作面總體為一單斜構(gòu)造，傾向北西，煤層傾角25°，掘進(jìn)期間共揭露14條斷層，均為逆斷層，落差0.9 m～8.8 m。

1.2 4504工作面皮帶順槽掘進(jìn)期間沖擊地壓概況

自2015年6月份4504工作面順槽開(kāi)工以來(lái)，工作面掘進(jìn)期間動(dòng)力現(xiàn)象顯現(xiàn)較為頻繁。2017年1月30日15時(shí)50分，皮帶順槽掘進(jìn)到2 046 m位置時(shí)，伴隨一次較大煤炮，迎頭發(fā)生沖擊，造成2死1傷事故，頂板冒落尺寸為5 m×4.2 m×3 m(長(zhǎng)×寬×高)，冒落體積約21 m3，工作面停止掘進(jìn)。由此可見(jiàn)，該工作面沖擊地壓危害日趨嚴(yán)重。

2 4504工作面沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

經(jīng)鑒定，4#煤層及頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，同時(shí)根據(jù)煤層地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)情況分析可知，誘發(fā)歷次沖擊的原因如下。

該礦“外力場(chǎng)”誘發(fā)沖擊的因素：1) 自重應(yīng)力，4504工作面發(fā)生的沖擊現(xiàn)象表明工作面已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了發(fā)生沖擊地壓的臨界深度。2) 相變帶集中應(yīng)力，硫磺溝礦煤層總厚度為36.13 m～49.18 m，屬特厚煤層，煤層經(jīng)常出現(xiàn)夾矸，軟硬煤相間等復(fù)雜賦存結(jié)構(gòu)，稱之為“特厚夾矸煤層”，“夾矸區(qū)域”應(yīng)力分布不均，易誘發(fā)沖擊地壓。3) 構(gòu)造應(yīng)力，礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育并分布復(fù)雜，存在構(gòu)造應(yīng)力誘發(fā)的沖擊。上述大范圍作用的外力單獨(dú)或相互作用，構(gòu)成了4504工作面的“外力場(chǎng)”，該場(chǎng)將作用于采掘工作面的圍巖，形成“內(nèi)力場(chǎng)內(nèi)力場(chǎng)”中應(yīng)力與煤巖相互作用的結(jié)果，是決定是否誘發(fā)沖擊的關(guān)鍵[1]。

“內(nèi)力場(chǎng)”誘發(fā)沖擊的因素：1) 特厚高彈性地層的能量積聚型沖擊，硫磺溝礦煤層厚度大，積聚大量的彈性能，在“外力場(chǎng)”的擾動(dòng)作用下，極易發(fā)生沖擊地壓[2]。2) 夾矸帶剪切沖擊，特厚夾矸煤層“外力場(chǎng)”應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致煤體處于強(qiáng)剪切作用下，從而發(fā)生沖擊地壓。3) 變膨脹型沖擊，特厚煤層圍巖強(qiáng)度較低，在高應(yīng)力作用下，形成滑移線場(chǎng)，容易在找動(dòng)作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，形成沖擊地壓[3-4]。4) 底板屈曲型沖擊，底板內(nèi)壓桿應(yīng)力屈曲破壞而發(fā)生的沖擊，4504開(kāi)采煤層較厚，順槽及切眼存在底煤，且4#煤層與7#煤層之間的夾層為厚度約2 m的粉砂巖，具有屈曲型沖擊的力學(xué)性能。

3 4504工作面沖擊地壓防治方案

根據(jù)上述分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，認(rèn)為4504掘進(jìn)工作面具有高度沖擊危險(xiǎn)，應(yīng)嚴(yán)格按照高度沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行管理，從卸壓及支護(hù)兩個(gè)方面對(duì)4504工作面的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行防治。

3.1 4504工作面皮帶順槽掘進(jìn)卸壓方案

3.1.1 超前和兩幫卸壓方案

在工作面超前施工大直徑鉆孔卸壓，孔深25 m，直徑120 mm～150 mm，超前鉆孔不小于3組。在工作面兩幫進(jìn)行大直徑鉆孔卸壓，按照大于3.5倍煤層厚度的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)大直徑鉆孔卸壓參數(shù)，上幫孔深25 m，考慮到下幫應(yīng)力不集中，下幫設(shè)計(jì)孔深18 m，孔間距1 m，直徑120 mm～150 mm，鉆孔卸壓滯后迎頭不超過(guò)5 m。

3.1.2 底板斷底卸壓方案

斷底采用一排爆破鉆孔，在巷道右底角沿走向方向進(jìn)行斷底，孔間距5 m，鉆孔傾角為-65°，爆破孔孔徑42 mm，單孔裝藥量0.6 kg，正向起爆，孔內(nèi)并聯(lián)，孔外串聯(lián)連線，一次裝藥一次起爆。

3.2 4504工作面切眼掘進(jìn)卸壓方案

切眼沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道底板以下底煤厚3 m～4 m，厚底煤沿煤層傾向及走向均有發(fā)生沖擊的危險(xiǎn)，因此切眼掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)及時(shí)對(duì)底板及兩幫進(jìn)行預(yù)卸壓，使應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。根據(jù)巷道附近地質(zhì)鉆孔顯示，切眼掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)底板巖柱厚度大于6 m，因此僅需對(duì)巷道底煤進(jìn)行處理，由于切眼導(dǎo)硐寬度為3.2 m，二次擴(kuò)刷寬度為4.8 m，切眼斷底分為兩個(gè)階段，即切眼導(dǎo)剩期間和二次擴(kuò)刷期間。

3.2.1 導(dǎo)硐施工期間

3.2.1.1 迎頭及兩幫大直徑鉆孔卸壓方案

迎頭卸壓方案同皮帶順槽卸壓方案，巷道兩幫大直徑卸壓鉆孔長(zhǎng)度15 m～20 m，孔間距3 m，孔徑120 mm～150 mm，兩幫鉆孔垂直煤壁施工。

3.2.1.2 底煤卸壓方案

切眼導(dǎo)硐斷底采用2排爆破鉆孔卸壓，防止厚底煤沿煤層傾向或走向發(fā)生沖擊。1) 走向斷底方案：在巷道右側(cè)底角布置一排爆破鉆孔徑42 mm，孔間距2 m，鉆孔方向垂直于巷幫，鉆孔角度45°，長(zhǎng)度以見(jiàn)45#煤層底板為準(zhǔn)。2) 傾向斷底方案：在巷道中部布置一排爆破鉆孔，孔徑42 mm，鉆孔間距5 m，鉆孔方向平行于巷道，垂直于煤層傾角施工(-65°)，長(zhǎng)度以見(jiàn)4#-5#煤層底板為準(zhǔn)。

3.2.2 二次擴(kuò)刷期間

巷道擴(kuò)刷后沿?cái)U(kuò)刷幫右側(cè)底角布置一排爆破結(jié)孔，孔徑42 mm，孔間距2 m，長(zhǎng)度以見(jiàn)4#煤層底板為準(zhǔn)。

3.3 4504工作面掘進(jìn)支護(hù)方案

3.3.1 4504皮帶槽進(jìn)支護(hù)方案

調(diào)整巷道凈斷面至13.33 m2，兩幫采用φ22 m×2 200 mm的錨桿支護(hù)，根據(jù)4504工作面情況，由于煤層傾角較大，皮帶順槽兩幫均存在發(fā)生塑性滑移的危險(xiǎn)，而錨桿長(zhǎng)度較短，難以滿足支護(hù)要求，因此需要在順槽兩幫補(bǔ)打錯(cuò)索，加強(qiáng)幫部煤體穩(wěn)定性，錯(cuò)索長(zhǎng)度在7.3 m，排距1.6 m，當(dāng)順槽發(fā)生沖擊時(shí)，錯(cuò)網(wǎng)索能夠懸吊頂煤及兩幫均落煤體，避免發(fā)生冒頂和片幫造成二次災(zāi)害，當(dāng)錯(cuò)索無(wú)法將煤體托住時(shí)，采用錯(cuò)索梁支護(hù)方式，兩幫描素施工應(yīng)在幫部孔卸壓完畢后施工[5]。

3.3.2 4504切眼掘進(jìn)支護(hù)方案

頂板采用桿、錯(cuò)索、W型鋼帶配金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式，左幫采用金屬描桿，鋼筋梯配金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式，右?guī)筒捎貌Ａт摌?shù)脂錨桿，金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，右?guī)推扑闀r(shí)使用鋼筋梯。

4 防治效果分析

截至2019年4月7日，4504工作面皮帶順槽已安全掘進(jìn)470 m，切眼已安全掘進(jìn)360 m(含擴(kuò)刷180 m)，期間未監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊危險(xiǎn)區(qū)域，未發(fā)生沖擊事故。期間皮帶順槽共實(shí)施大孔徑鉆孔370個(gè)，鉆孔量5 757.75 m；斷底卸壓鉆孔113個(gè)，鉆孔量623.8 m，孔徑133 mm；斷底爆破鉆孔123個(gè)，鉆孔量418.1 m，炸藥85.8 kg，切眼(含擴(kuò)刷)共實(shí)施大孔徑鉆孔165個(gè)，鉆孔量2 983.75 m，孔徑133 mm；斷底爆破鉆孔184個(gè)，鉆孔量1 040.8 m，炸藥161.6 kg，同時(shí)，采用鉆屑法，動(dòng)力現(xiàn)象觀測(cè)法，K550型應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)綜合對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，煤粉量在1.5 kg/m～3.0 kg/m之間(臨界值4.06 kg/m)，動(dòng)力顯現(xiàn)明顯減少，應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均在3 MPa～5 MPa之間(預(yù)警值淺孔8 MPa、深孔10 MPa)。

同時(shí)，提高了捆進(jìn)工作面單進(jìn)水平，皮帶順槽突破月掘進(jìn)232 m(原月掘進(jìn)160 m，提高45%)切眼突破月掘進(jìn)80 m(原月掘進(jìn)60 m，提高3%)，切眼擴(kuò)刷突破月掘進(jìn)180 m(原月掘進(jìn)約為120 m，提高50%)，縮短計(jì)劃工期約25 d，增加經(jīng)濟(jì)效益約1 800萬(wàn)元。