特厚煤層工作面末采期間防沖技術(shù)研究

張 琦 鄭興博 王懷遠

（山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274900 ）

本文以特厚煤層沖擊地壓事故礦井災(zāi)害防治為例，主要針對事故后礦井恢復(fù)生產(chǎn)及安全回采進行研究?？紤]到現(xiàn)在對于已發(fā)生沖擊地壓事故礦井恢復(fù)生產(chǎn)的條件沒有具體的評判指標(biāo)，基于初步研究成果[1-4]對沖擊地壓事故礦井工作面恢復(fù)生產(chǎn)前開展了沖擊危險性評價和防沖設(shè)計，從而為工作面安全恢復(fù)生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 工程概況

8301綜放工作面為山東新巨龍能源有限責(zé)任公司-980 m水平八采區(qū)首采面，如圖1。工作面埋深約900 m，煤層平均厚度9.06 m，工作面傾向?qū)挾?60 m。目前推采位置上巷距離-980 m邊界運輸下山360 m，下巷距離-980 m邊界運輸下山270 m，工作面處于末采撤架，需要繼續(xù)推進15 m進行刷幫撤架。在工作面準(zhǔn)備末采撤架時，礦井2305S工作面發(fā)生了沖擊地壓事故，造成了礦井停產(chǎn)整頓。在礦井沖擊地壓事故處理完成后，需要進行該工作面復(fù)產(chǎn)末采。該工作面自2月22日起停產(chǎn)，4月24日復(fù)產(chǎn)，由于工作面發(fā)火等問題，需要再推采16 m，而后刷幫15 m進行撤架。該工作面事故發(fā)生前僅在上、下平巷施工大直徑鉆孔卸壓措施，事故發(fā)生后在上、下平巷增加了頂板爆破措施，在下山巷道煤巷影響區(qū)域施工了大直徑卸壓鉆孔和底板爆破措施。

圖1 8301工作面示意圖

綜上，需要對該工作面末采期間的沖擊危險性進行評價，并制定針對性的防沖措施，保證工作面末采期間的安全。

2 沖擊危險性評價及危險區(qū)域劃分

2.1 綜合指數(shù)法

采用綜合指數(shù)法對8301工作面末采期間的沖擊危險等級進行評價，地質(zhì)因素影響下的沖擊危險指數(shù)Wt1為0.62，開采因素影響下的沖擊危險指數(shù)Wt2為0.21。綜合其末采期間的地質(zhì)及開采因素，沖擊危險指數(shù)Wt為0.62，具有中等沖擊危險等級。

2.2 震波CT探測

工作面停采前在超前范圍內(nèi)施工了大直徑卸壓鉆孔，但由于停采時間較長，需對開采前的靜載荷進行重新探測評估，采用PASAT-M型便攜式震波CT探測系統(tǒng)對8301工作面及末采期間對應(yīng)的下山區(qū)域進行了震波CT原位探測，綜合震動波波速的異常系數(shù)、波速梯度構(gòu)建評價模型，評估了末采期間影響區(qū)域的沖擊地壓危險狀態(tài)。

綜合考慮8301工作面末采和大巷附近構(gòu)造區(qū)域分布情況及周圍開采環(huán)境，并結(jié)合現(xiàn)場實際和設(shè)備能力，在8301工作面停采位置以外約350 m范圍開展CT探測。參數(shù)為：每放1炮19道接收，平均道間距（探頭間距）約18 m，平均炮間距約6 m。信號線一端設(shè)置在采集端19號探頭位置，另一端設(shè)置在激發(fā)端54號炮孔位置（距離回風(fēng)下山20 m），1號炮孔距工作面5 m，此次實驗需要信號連接線約700 m。

現(xiàn)場試驗在3月18日完成，實際爆破激發(fā)測點54個，8301下平巷、上平巷探測范圍分別為330 m、360 m。試驗過程中，設(shè)定采樣頻率2000 Hz，檢波器工作頻段5～10 000 Hz，增益20 dB，采樣長度0.512 s，激發(fā)孔內(nèi)每孔200 g炸藥，短斷觸發(fā)。

圖2為8301工作面探測區(qū)域沖擊危險性指數(shù)C分布圖。圖中黑色從小到大來代表探測區(qū)域內(nèi)沖擊危險性指數(shù)，區(qū)域內(nèi)C最大值為0.75，最小值為-0.3。根據(jù)評價模型，可知圖中可見測區(qū)內(nèi)的煤巖體總體上處于中等沖擊危險等級。

圖2 8301工作面震波CT探測示意圖

2.3 沖擊危險區(qū)域劃分

根據(jù)8301工作面末采期間沖擊地壓主要影響因素分析結(jié)果，集中靜載荷影響作用主要包括煤層沖擊傾向性、開采深度、構(gòu)造、采動應(yīng)力、底煤厚度等；主要的集中動載荷因素為末采時的頂板垮斷擾動。因此，用于沖擊危險區(qū)劃分的多因素分別為煤層沖擊傾向性、開采深度、底煤、地質(zhì)構(gòu)造、超前支承壓力、巷道交叉、頂板特性。

綜上，在理論分析、技術(shù)探測的基礎(chǔ)上，通過多因素耦合分析，劃分了8301工作面末采期間的沖擊危險區(qū)域，如圖3、表1。不同沖擊危險等級區(qū)域采用不同圖例和顏色標(biāo)定在采掘工程平面圖上。圖3中，弱沖擊危險區(qū)域共計8個，中等沖擊危險區(qū)域共計6個，強沖擊危險區(qū)域共計4個。

圖3 8301工作面沖擊危險區(qū)域示意

3 沖擊地壓防治

根據(jù)工作面末采期間的沖擊危險區(qū)域劃分，采用“分源防控、分區(qū)治理”的沖擊地壓防治理念，制定了工作面末采期間的沖擊地壓防治及監(jiān)測預(yù)警方案。

3.1 沖擊地壓防治方案

針對8301工作面沖擊地壓發(fā)生集中動載荷與集中靜載荷影響因素分析，開展針對特定危險源的分源治理技術(shù)。針對煤體內(nèi)的集中靜載荷，采用煤層爆破卸壓和大直徑鉆孔的方法進行高應(yīng)力疏解；而針對煤層上方的堅硬頂板則采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對頂板進行預(yù)裂處理；對于巷道留底煤及底板高應(yīng)力區(qū)域，主要采用底板爆破進行處理。

（1）煤層大直徑鉆孔

根據(jù)8301工作面現(xiàn)場打鉆過程中的動力顯現(xiàn)，初步確定巷道應(yīng)力集中區(qū)距離巷幫9～22 m，故設(shè)計鉆孔深度25 m。根據(jù)不同區(qū)域的沖擊危險程度，確定強、中等和弱沖擊危險區(qū)域的大直徑鉆孔間距分別為1 m、1.5 m和2 m。為便于施工，孔口高度一般為1.0～1.5 m。

（2）頂板爆破

8301工作面屬于末采期間，考慮其對下山巷道的影響，在上下平巷停采線位置各布置一組頂板爆破孔。爆破孔參數(shù)見表2。

表2 停采線位置頂板爆破參數(shù)

（3）底板爆破

對于工作面末采期間上、下平巷及下山留底煤及底板高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)在巷道兩側(cè)底角處采用底板爆破進行沖擊地壓防治。底板爆破參數(shù)見表3。

表3 底板爆破參數(shù)

3.2 沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警方案

根據(jù)工作面末采期間的沖擊地壓發(fā)生機理及危險區(qū)域劃分，采用分源監(jiān)測的預(yù)警理念對工作面末采期間的沖擊危險性進行監(jiān)測預(yù)警。即采用微震監(jiān)測對工作面開采過程中的動載進行監(jiān)測，采用應(yīng)力監(jiān)測對工作面開采過程中的靜載進行監(jiān)測。

（1）微震監(jiān)測-動載

根據(jù)工作面的實際情況，采用ARAMIS M/E和KJ551微震監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測工作面回采期間的動載，如圖4。

圖4 8301工作面微震監(jiān)測示意圖

（2）應(yīng)力監(jiān)測-靜載

根據(jù)工作面的實際情況，采用KJ550沖擊地壓實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對末采期間上、下平巷及下山影響范圍內(nèi)均進行應(yīng)力監(jiān)測。上、下平巷應(yīng)力監(jiān)測間隔25 m布置1個測站，每個測站布置2個測點，鉆孔應(yīng)力計安裝深度分別為13 m和8 m，間隔2 m；下山煤巷應(yīng)力監(jiān)測間隔50 m布置一個測點，每個測站布置1個孔深13 m的測點。8301工作面應(yīng)力監(jiān)測示意圖如圖5。

圖5 8301工作面應(yīng)力監(jiān)測示意圖

3.3 工程應(yīng)用

根據(jù)沖擊的危險區(qū)域劃分，工作面實施了頂板爆破、煤層大直徑鉆孔卸壓以及底板爆破防沖措施，同時采用“微震+應(yīng)力”對工作面回采期間的動靜載進行實時在線監(jiān)測，并對預(yù)警區(qū)域及時采用大直徑鉆孔進行卸壓解危，實現(xiàn)了工作面末采期間的沖擊地壓災(zāi)害防治，保證了工作面的安全回采。

4 結(jié)論

（1）提出了“理論-技術(shù)”相結(jié)合的沖擊危險性評價方法，劃分了工作面末采期間兩巷及下山的沖擊危險區(qū)域。

（2）根據(jù)“分區(qū)治理、分源防治”的防沖理念，在沖擊危險性評價的基礎(chǔ)上對危險區(qū)域采用頂板爆破、煤層卸壓及底板爆破卸壓措施，并采用CT探測對卸壓后的防沖效果進行了檢驗。

（3）采用“區(qū)域+局部、微震+應(yīng)力”的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，對工作面開采過程中的沖擊危險性進行了監(jiān)測預(yù)警，并采用大直徑鉆孔卸壓對其進行及時解危，保證了工作面的安全回采。