楊建坤

(大同煤礦集團(tuán)同生煤礦生產(chǎn)管理有限責(zé)任公司 通風(fēng)部，山西 大同 037000)

1 礦井概況

郭屯煤礦位于山東省菏澤市鄆城縣境內(nèi)，地面標(biāo)高+41.60～+45.38 m，主要含煤地層為下二迭統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，首采及主采煤層為3(3下)煤層。礦井采用立井單水平上下山開拓方式，設(shè)主井、副井、風(fēng)井三個(gè)井筒，井底水平標(biāo)高-808 m。中央并列抽出式通風(fēng)方式，屬低瓦斯礦井，礦井地質(zhì)類型、水文地質(zhì)類型均為中等。礦井主采煤層為3煤層，開采標(biāo)高-600～-1 200 m，采煤方法為單一長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜采(放)回采工藝，全部垮落法管理頂板。一般巖石巷道采用炮掘工藝，煤巷采用綜掘工藝。2019年6月經(jīng)中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院鑒定，郭屯煤礦3煤層(合并區(qū))及其頂?shù)装寰鶎儆冖蝾悾哂腥鯖_擊傾向性。郭屯煤礦自2010年3月投產(chǎn)以來未發(fā)生過沖擊地壓事故，但井下煤炮、崩斷錨桿等動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，特別隨著開采范圍不斷增加,以及開采條件的逐漸復(fù)雜，受沖擊地壓的威脅越來越嚴(yán)重。

2 沖擊危險(xiǎn)因素分析

2.1 地質(zhì)因素

(1)煤層埋深較大，部分區(qū)域已超過800 m，煤巖層本身具有沖擊傾向性，已具備發(fā)生沖擊地壓的條件。

(2)部分區(qū)域頂?shù)装鍘r層較為堅(jiān)硬且厚度不均，雖然3煤層上方基巖段較薄，但有少部分區(qū)域存在厚度超過10 m的堅(jiān)硬巖層，發(fā)生斷裂時(shí)極易誘發(fā)礦震型沖擊地壓.

(3)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，目前開采區(qū)域內(nèi)存在多條褶曲、斷層，受采掘擾動(dòng)、采空區(qū)側(cè)向支撐應(yīng)力等因素影響，易造成應(yīng)力疊加。

(4)相變帶影響，煤層相變帶區(qū)域本身存在高應(yīng)力，工作面推進(jìn)至該區(qū)域時(shí)易造成應(yīng)力集中。局部區(qū)域存在巖漿巖侵蝕區(qū)，應(yīng)力程度較高，工作面回采過程中應(yīng)力疊加，也易造成應(yīng)力集中。

2.2 開采技術(shù)條件

(1)受地質(zhì)構(gòu)造因素影響部分工作面形成不規(guī)則、不等寬煤柱，應(yīng)力疊加后，煤柱內(nèi)集中的應(yīng)力容易失穩(wěn)，易發(fā)生沖擊危險(xiǎn)。

(2)工作面采用全部垮落法管理頂板，初次來壓及周期來壓現(xiàn)象比較明顯，當(dāng)采空區(qū)頂板垮落時(shí)，頂板受力由靜載荷向動(dòng)載荷轉(zhuǎn)變，增加了沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)性。

3 沖擊地壓監(jiān)測(cè)方法

礦井區(qū)域監(jiān)測(cè)方法采取微震監(jiān)測(cè)法，局部監(jiān)測(cè)方法主要采取應(yīng)力監(jiān)測(cè)法和鉆屑法。堅(jiān)持以防沖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，形成了以微震區(qū)域監(jiān)測(cè)、應(yīng)力在線及鉆屑法局部監(jiān)測(cè)為主的沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)體系。

3.1 微震監(jiān)測(cè)法

區(qū)域監(jiān)測(cè)采用24通道ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)屬于中尺度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定位誤差20～50 m，可定位較大能量的沖擊事件和礦震[1]。該系統(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)整個(gè)礦井內(nèi)微震事件的震源位置、發(fā)生時(shí)間、釋放的能量，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)微震活動(dòng)的強(qiáng)弱和頻率，并結(jié)合微震事件分布的位置判斷潛在的礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)規(guī)律，通過識(shí)別礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和預(yù)警，宏觀劃定危險(xiǎn)區(qū)域。

微震監(jiān)測(cè)法沖擊地壓預(yù)警指標(biāo)：

(1)掘進(jìn)工作面：工作面內(nèi)發(fā)生單個(gè)能量達(dá)到或超過1.0×104 J的微震事件，預(yù)測(cè)有沖擊危險(xiǎn)。

(2)采煤工作面：工作面內(nèi)發(fā)生單個(gè)能量達(dá)到或超過1.0×105 J的微震事件，預(yù)測(cè)有沖擊危險(xiǎn)。

(3)24 h微震事件總能量預(yù)警值

①掘進(jìn)工作面24 h之內(nèi)釋放總能量超過1×105 J，為日釋放總能量預(yù)警。

哈哈，我贏了！林強(qiáng)信在我身后爆發(fā)出一串狼外婆的干笑。我忽然停下腳步，緩緩地轉(zhuǎn)過身，一字一頓地說，是的，你贏了，可是我為你感到悲哀！悲哀，你懂么？你不會(huì)懂，因?yàn)槟愕牧夹谋挥蜎]了。其實(shí)，你輸?shù)袅撕芏?，很多?/p>

②采煤工作面24 h之內(nèi)釋放總能量超過1×106 J，為日釋放總能量預(yù)警。

3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)法

利用KJ550、KJ615、KJ24煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面前方采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，判定高應(yīng)力區(qū)及其變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)和危險(xiǎn)程度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警[2]。

掘進(jìn)工作面測(cè)點(diǎn)布置：測(cè)站間距50 m，每個(gè)測(cè)站內(nèi)設(shè)置兩個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，埋設(shè)深度分別為8 m、14 m，測(cè)點(diǎn)間距0.5～1 m。應(yīng)力監(jiān)測(cè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)橛^后方50～300 m范圍。掘進(jìn)工作面應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)工作面應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

采煤工作面測(cè)點(diǎn)布置：初次安裝距切眼30 m布置1號(hào)測(cè)站，依次向外間隔25 m布置1組測(cè)站，每組測(cè)站包括2個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)深度分別為8 m和14 m，測(cè)點(diǎn)間隔0.5～1 m。隨工作面推進(jìn)，及時(shí)拆卸前移，保證監(jiān)測(cè)范圍不小于250 m。應(yīng)力計(jì)安裝后進(jìn)行注油打壓，初始?jí)毫Σ坏陀?～6 MPa，當(dāng)應(yīng)力計(jì)壓力值下降到4 MPa以下時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)油打壓。采煤工作面應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 采煤工作面應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

應(yīng)力監(jiān)測(cè)法沖擊地壓預(yù)警指標(biāo)：根據(jù)回采工作面超前、掘進(jìn)工作面滯后和大巷保安煤柱煤巖體應(yīng)力應(yīng)變顯現(xiàn)不同，設(shè)置了應(yīng)力場(chǎng)預(yù)警閾值，分“低應(yīng)力預(yù)警、黃色預(yù)警和紅色報(bào)警”3級(jí)預(yù)警，旨在通過降低系統(tǒng)預(yù)警閾值，提高應(yīng)力煤體預(yù)警級(jí)別，將預(yù)警與卸壓工程前置，消除煤體高彈性沖擊危險(xiǎn)，避免出現(xiàn)黃色預(yù)警、杜絕紅色報(bào)警，確保低應(yīng)力保護(hù)。應(yīng)力在線預(yù)警指標(biāo)如表1所示。

3.3 鉆屑法

通過在煤體中鉆Φ42～44 mm鉆孔，根據(jù)鉆孔時(shí)在不同深度排出的煤粉量及其變化規(guī)律以及有關(guān)動(dòng)力現(xiàn)象判斷沖擊危險(xiǎn)[3]。一般情況使用手持式氣動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行施工，在檢測(cè)地點(diǎn)巷道兩側(cè)應(yīng)力集中程度無差別的情況下，在便于施工的一側(cè)施工；在兩側(cè)受力不一樣的情況下，在應(yīng)力高的一側(cè)施工。根據(jù)煤粉量預(yù)警指標(biāo)及鉆進(jìn)過程中的動(dòng)力現(xiàn)象判定危險(xiǎn)程度，發(fā)現(xiàn)存在沖擊危險(xiǎn)立即采取解危卸壓措施。同時(shí)在微震、應(yīng)力在線兩種監(jiān)測(cè)方式判定出危險(xiǎn)區(qū)域后，再利用鉆屑法進(jìn)行最終驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)沖擊危險(xiǎn)立即采取解危卸壓措施。

鉆屑法沖擊地壓預(yù)警指標(biāo)：若鉆屑量超過臨界煤粉量，或在鉆孔過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的卡鉆、吸鉆及聲響等動(dòng)力現(xiàn)象，則判定有沖擊危險(xiǎn)，臨界煤粉量指標(biāo)如表2所示。

表2 臨界煤粉量指標(biāo)

4 防沖擊地壓治理措施

為保證在具有沖擊地壓危險(xiǎn)的煤層中掘進(jìn)安全，根據(jù)“應(yīng)力三向化轉(zhuǎn)移”原理，如圖3所示，對(duì)具有沖擊地壓危險(xiǎn)的局部區(qū)域采用大直徑鉆孔進(jìn)行卸壓[4]。大直徑鉆孔引起巷道深部圍巖(鉆孔遠(yuǎn)端附近圍巖)發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，形成一個(gè)弱化帶，引起巷道周邊圍巖內(nèi)的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，從而使巷道周邊附近圍巖處于低應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生沖擊時(shí)，一方面大直徑鉆孔的空間能夠吸收沖出的煤粉，防止煤體沖出，另一方面卸壓區(qū)內(nèi)頂?shù)装宓拈]合產(chǎn)生“楔形”阻力帶，也能夠防止煤體沖出而發(fā)生災(zāi)害。

圖3 應(yīng)力三向化轉(zhuǎn)移原理

4.1 掘進(jìn)工作面迎頭卸壓方案

根據(jù)巖石力學(xué)基本理論可知，巷道在掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)迎頭位置處圍巖應(yīng)力為0 Mpa，一般沿巷道掘進(jìn)方向迎頭前方4～6 m處為應(yīng)力峰值位置，厚煤層則達(dá)到7～9 m，如圖4所示[5]。

巷道在掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)迎頭位置的巷道塑性圈還未出現(xiàn)，如圖5中A-A剖面；隨著掘進(jìn)迎頭的前進(jìn)，距離掘進(jìn)迎頭30～50 m范圍內(nèi)的巷道圍巖出現(xiàn)塑性圈，且塑性圈處于動(dòng)態(tài)發(fā)展演化狀態(tài)，塑性圈斷面范圍不斷擴(kuò)大、圍巖應(yīng)力持續(xù)調(diào)整的階段，如圖中B-B剖面；當(dāng)迎頭前進(jìn)一定距離后，距離掘進(jìn)迎頭30～50 m范圍之外巷道塑性圈斷面范圍趨于穩(wěn)定，巷道圍巖處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，如圖中C-C剖面。

圖4 掘進(jìn)迎頭超前應(yīng)力分布巷道剖面圖

圖5 巷道斷面塑性圈動(dòng)態(tài)發(fā)展演化過程

在掘進(jìn)工作面迎頭平行于煤層施工鉆孔，垂直于煤壁開孔，鉆孔直徑150 mm，間距0.5 m，開孔高度距底板0.5～1.5 m，深度不小于20 m，采用預(yù)留10 m保護(hù)帶的方式進(jìn)行循環(huán)施工。弱沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)施工一個(gè)鉆孔；中等沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)施工兩個(gè)鉆孔；強(qiáng)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)施工三個(gè)鉆孔。如圖6所示。

4.2 掘進(jìn)工作面幫部卸壓方案

掘進(jìn)工作面幫部卸壓參數(shù)根據(jù)煤層厚度確定，主要分兩種情況，幫部大直徑鉆孔預(yù)卸壓設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

圖6 迎頭大直徑鉆孔巷道斷面布置示意圖

表3 幫部大直徑鉆孔預(yù)卸壓設(shè)計(jì)參數(shù)

4.3 回采工作面卸壓方案

回采工作面上方的細(xì)砂巖隨著工作面的推進(jìn)，懸露面積繼續(xù)增大，細(xì)砂巖逐漸形成支點(diǎn)分別位于工作面前方和切眼后方煤體的支撐結(jié)構(gòu)，如圖7所示。這種結(jié)構(gòu)首先在兩個(gè)支撐點(diǎn)上表面拉壞，然后在巖梁中部下表面拉壞后斷裂，有可能誘發(fā)沖擊地壓。因此采煤工作面回采前，兩順槽超前工作面煤壁不小于200 m進(jìn)行覆蓋式鉆孔卸壓?；夭晒ぷ髅鎺筒看笾睆姐@孔預(yù)卸壓設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

圖7 老頂初次來壓的力學(xué)分析

表4 工作面幫部大直徑鉆孔預(yù)卸壓設(shè)計(jì)參數(shù)

4.4 底煤處理措施

巷道在掘進(jìn)過程中受地質(zhì)條件影響，存在留底煤現(xiàn)象的，如圖8所示，采取以下措施：底煤厚度不足0.5 m的利用綜掘機(jī)截割頭將底煤破壞；底煤厚度超過0.5 m，必須采取鉆孔斷底卸壓。斷底卸壓距掘進(jìn)工作面最大距離不超過10 m，孔徑110 mm,間排距為0.8～1.0 m，深度見巖為止，鉆孔后及時(shí)灌水軟化煤體。

圖8 過斷層留底煤位置示意圖

5 現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)措施

5.1 個(gè)體防護(hù)裝備

現(xiàn)場(chǎng)采掘工作面配備防沖服，進(jìn)入強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的人員必須穿防沖服。

5.2 壓風(fēng)自救裝置

有沖擊地壓危險(xiǎn)的采掘工作面必須設(shè)置壓風(fēng)自救系統(tǒng)[6]。應(yīng)當(dāng)在距采掘工作面25～40 m的巷道內(nèi)、爆破地點(diǎn)、撤離人員與警戒人員所在位置、回風(fēng)巷有人作業(yè)處等地點(diǎn),至少設(shè)置1組壓風(fēng)自救裝置。壓風(fēng)自救系統(tǒng)管路可以采用耐壓膠管，每10～15 m預(yù)留0.5～1.0 m的延展長(zhǎng)度。

5.3 物料生根固定

對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域巷道內(nèi)存放的所有物料、設(shè)備進(jìn)行固定生根，我礦主要利用物料架、自制皮帶條、鋼絲繩等形式進(jìn)行生根固定。

5.4 錨桿、錨索防崩

為防止沖擊危險(xiǎn)區(qū)域錨桿、錨索崩斷傷人，對(duì)回采工作面和煤巷、半煤巖掘進(jìn)迎頭所有支護(hù)錨桿、錨索進(jìn)行防崩。具體要求“14323”，即：“1”一根鐵絲、一個(gè)方向，“4”14#鐵絲；“3”一側(cè)生根點(diǎn)纏繞3圈，“2”錨桿頭的固定點(diǎn)纏繞2圈，“3”另一側(cè)生根點(diǎn)纏繞3圈。

5.5 限員管理

采煤工作面和順槽超前300 m以內(nèi)不得超過16人；順槽長(zhǎng)度不足300 m的，在順槽與采區(qū)巷道交叉口以內(nèi)不得超過16人；掘進(jìn)工作面200 m范圍內(nèi)不得超過9人；掘進(jìn)巷道不足200 m的，在工作面回風(fēng)流與全風(fēng)壓風(fēng)流混合處以內(nèi)不得超過9人。

6 結(jié) 語

郭屯煤礦嚴(yán)格落實(shí)“區(qū)域先行、局部跟進(jìn)、分區(qū)管理、分類防治”的防沖原則，不斷優(yōu)化采場(chǎng)布局，通過對(duì)工作面布置進(jìn)行分析論證，優(yōu)化采掘設(shè)計(jì)，合理安排采掘順序，從源頭上避免形成應(yīng)力集中區(qū)，有效降低防沖難度。近年來不斷加大科研投入和技術(shù)裝備的提升，堅(jiān)持“一頭一評(píng)價(jià)，一面一評(píng)價(jià)”，對(duì)所有采掘工作面都按要求進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及防沖設(shè)計(jì)，對(duì)動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。通過實(shí)時(shí)預(yù)警及時(shí)采取防治措施，確保卸壓到位，最大程度上降低沖擊地壓危害，有效避免了沖擊地壓事故的發(fā)生，保障了井下作業(yè)人員的安全。