曹允欽 魏振全 沈 偉

(山東能源棗礦集團(tuán)田陳煤礦，山東省滕州市，277523)

田陳煤礦位于滕南礦區(qū)南部，井田內(nèi)地勢東北高西南低，地面標(biāo)高＋54.98～＋35.11m。隨著開采深度的不斷延伸，北七采區(qū)開采深度已達(dá)到800m，采區(qū)煤層平均厚度6.5m，上覆頂板為80m厚的中細(xì)砂巖和53.5m厚的礫巖是誘發(fā)沖擊地壓和礦震的主要動力源，采掘過程中煤炮頻繁，礦壓顯現(xiàn)明顯。解決深部支護(hù)難題和有效防范沖擊地壓災(zāi)害成為田陳煤礦面臨的新課題。為提高沖擊地壓防治水平，田陳煤礦提出了震動場、應(yīng)力場一體化的沖擊地壓監(jiān)測技術(shù)及分區(qū)治理思路，構(gòu)建了聯(lián)合監(jiān)測沖擊地壓的平臺，通過采用煤層大直徑鉆孔防沖技術(shù)，有效降低了工作面沖擊危險(xiǎn)程度。

1 工作面概況

3下7110工作面位于北區(qū)西翼下山右翼，標(biāo)高-673～-740m，平均標(biāo)高-720m，工作面東側(cè)為7-15斷層，與3下7108綜放工作面采空區(qū)毗鄰，西側(cè)為7-14斷層，切眼與金莊井田毗鄰，3下7110綜放工作面平面位置如圖1所示。

圖1 3下7110綜放工作面平面位置示意圖

3下7110工作面煤層賦存較穩(wěn)定，煤層厚3.5～9.0m，煤層大部分含1層0～0.5m泥巖夾矸，受左側(cè)較大斷層影響，煤層局部破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育。煤層頂?shù)装鍡l件均為Ⅱ類。基本頂為厚66～100m的中、細(xì)砂巖，普氏硬度系數(shù)為8～12；直接頂為0.1～4.0m的粉砂質(zhì)泥巖，普氏硬度系數(shù)為3～4；直接底為2.5～3.8m的粉砂質(zhì)泥巖，煤層底板有0.2m炭質(zhì)泥巖，普氏硬度系數(shù)為3～4；基本底為20～35m的細(xì)砂巖，普氏硬度系數(shù)為6～8。

2 監(jiān)測預(yù)警平臺

田陳煤礦為研究沖擊地壓發(fā)生征兆，探明采動影響下應(yīng)力變化與微震變化規(guī)律，指導(dǎo)制定防沖措施，特別在3下7110工作面安裝了KJ21煤體應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)、ARA MIS m／E微震監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域及程度劃分結(jié)果，結(jié)合KJ21煤體應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)特點(diǎn)及工作面地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況，3下7110綜放工作面運(yùn)輸巷重點(diǎn)監(jiān)測工作面初次來壓、一次見方、二次見方及工作面周邊情況，考慮工作面運(yùn)輸巷側(cè)未進(jìn)行采掘活動，主要采取一般觀察，布置三組應(yīng)力監(jiān)測測點(diǎn)收集數(shù)據(jù)；3下7110綜放工作面軌道巷距離底板0.8～1.5m高度每30m布置一組測點(diǎn)，監(jiān)測距離超前工作面200m處。每組測點(diǎn)布置2個KSE-Ⅱ-1鉆孔應(yīng)力計(jì)，1個應(yīng)力計(jì)水平埋設(shè)在巷道幫煤體深度7m處，另1個應(yīng)力計(jì)水平埋設(shè)到巷道幫煤體深度15m處。

通過對多個應(yīng)力曲線總結(jié)，工作面超前支承壓力影響范圍在超前工作面35～45m之間，峰值在超前工作面10～15m，持續(xù)影響距離14～18m，工作面前采動影響距離130～150m。礦壓顯現(xiàn)主要集中在工作面初次來壓、周期來壓、過聯(lián)絡(luò)巷、末采期間及中間巷附近，主要表現(xiàn)為頂板下沉、巷道大變形、煤炮增加、錨桿錨索崩斷。

結(jié)合ARA MIS m／E微震監(jiān)測系統(tǒng)特點(diǎn)及3下7110工作面布置方式，重點(diǎn)觀測軌道巷走向長度320～560m周邊區(qū)域 (見圖1)，設(shè)計(jì)在軌道巷走向長度410m、570m，運(yùn)輸巷走向長度410m、880m、1120m，西翼軌道下山位置安裝6個微震監(jiān)控探頭。

3下7110綜放工作面實(shí)行 “四六制”作業(yè)，中班檢修，早班、晚班、夜班均為生產(chǎn)。對能量事件按照班次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將事件按照能量大小分為大能量事件 (能量在104J以上事件為大能量事件)和小能量事件 (能量在104J以下事件為小能量事件)，只有大能量事件才可能誘發(fā)沖擊災(zāi)害。在3下7110綜放工作面對大能量事件和小能量事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 大能量事件和小能量事件統(tǒng)計(jì)結(jié)果 次

從班次來看，大能量事件主要集中在生產(chǎn)班，小能量事件基本持平，無明顯差異。說明工作面采動過程中容易誘發(fā)沖擊危險(xiǎn)。對檢修班45次大能量事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，前2h共有事件19次，總能量大小為4.3×107J，后4h共有事件26次，總能量大小為2.0×107J。

從微震事件發(fā)生時(shí)間段來看，大能量事件主要集中在生產(chǎn)班與生產(chǎn)班結(jié)束之后2h內(nèi)，說明這一時(shí)間段沖擊危險(xiǎn)程度較高，工作面生產(chǎn)期間必須實(shí)行限員管理，除必要崗點(diǎn)外一律不準(zhǔn)入內(nèi)，生產(chǎn)任務(wù)結(jié)束后需封閉工作面2h再進(jìn)行工作面檢修作業(yè)。

從微震事件發(fā)生標(biāo)高來看，微震事件發(fā)生高度集中在-673～-740m標(biāo)高，以10月7日-10月10日59次微震事件為例，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果頂板事件占56%，煤層事件占20%，底板事件占24%；頂板事件距離最大者為距切眼306m處，距離煤層44m，說明上覆高位巖層依然未發(fā)生斷裂；底板事件距離最大者為距切眼622m處，距離煤層33m。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，微震事件分布范圍廣，多集中在地質(zhì)構(gòu)造帶，說明微震時(shí)間不一定是受超前支承應(yīng)力影響發(fā)生的，更多的是地質(zhì)構(gòu)造受采掘活動影響活化重新達(dá)到應(yīng)力平衡的過程中產(chǎn)生的；從微震事件發(fā)生位置分析，沖擊地壓不一定發(fā)生在工作面超前支承應(yīng)力范圍內(nèi)，還有可能發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造等應(yīng)力集中區(qū)，進(jìn)行采掘活動時(shí)過地質(zhì)構(gòu)造帶及煤層賦存變化帶要引起高度重視。

3 卸壓解危方案

3.1 強(qiáng)支護(hù)

軌道巷采用錨網(wǎng)梯 (帶)索支護(hù)作為頂板永久支護(hù)，即頂部打設(shè)4根高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿，錨桿間排距為1000mm×900mm，鋪掛鋼筋網(wǎng)及鋼筋梯 (W鋼帶)，在煤層頂板或頂板破碎段每隔三排距離在巷中打設(shè)1根錨索；兩幫部各打設(shè)4根普通樹脂錨桿，掛鐵絲網(wǎng)配鋼筋梯，其間排距為1000mm×900mm。頂板錨桿規(guī)格為?20mm×2400mm，幫部錨桿規(guī)格為?18mm×2000mm，頂板鋼筋梯規(guī)格為4000mm×70mm，W鋼帶規(guī)格為4000mm×275mm×2.75mm，錨索規(guī)格為?17.8mm的鋼絞線，其長度以其能錨入硬巖的深度不小于1.5m為準(zhǔn)，兩幫鋼筋梯規(guī)格為3100mm×70mm，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為3400mm×1070mm，幫部鐵絲網(wǎng)規(guī)格為6000mm×1600mm。斷面形狀不規(guī)則，巷道凈寬為3.8m、凈高為3.2m，凈面積12.16m2。

工作面安裝9000-23／50型支撐掩護(hù)式液壓支架對頂板進(jìn)行支護(hù)，采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板。最小控頂距5.05m，最大控頂距5.85m。

軌道巷超前支護(hù)采用單體液壓支柱配合HDJB-1000型鉸接頂梁支護(hù)，三排支護(hù)長度不小于60m，柱距為1m (誤差±0.1m)，每根單體液壓支柱必須穿?400mm鐵鞋，拴齊防倒繩或防倒桿。單體液壓支柱防倒繩不少于兩道，防倒繩拴在單體液壓支柱的中上部。

機(jī)尾無液壓支架地段采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁支護(hù)。當(dāng)刮板輸送機(jī)機(jī)尾伸出支架超過0.5m時(shí)，必須在其上方架設(shè)4.4m長的π型鋼棚支護(hù)頂板。π型鋼棚必須成對使用，一梁三柱，交替邁步前移，正巷第一棚與液壓支架間距不大于0.5m，兩根π型鋼棚之間間距不大于0.3m。工作面兩端頭必須留下寬度不小于0.8m、高度不小于1.8m的安全出口。

3.2 強(qiáng)卸壓

沖擊地壓卸壓解危處理方法主要有頂板預(yù)裂、卸壓鉆孔及爆破卸壓等方法，根據(jù)田陳煤礦實(shí)際情況，最有效方法就是采取大孔徑卸壓鉆孔進(jìn)行卸壓，通過實(shí)施大直徑鉆孔，煤體積聚能量高的地方將發(fā)生孔內(nèi)沖擊，排出大量煤粉，鉆孔周圍將形成一定破碎區(qū)，破碎區(qū)相互連接后將造成巷道一定深度圍巖發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，形成一個弱化帶，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)力區(qū)，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，能夠一定程度阻止煤體沖出。

采煤工作面卸壓鉆孔布置巷道靠工作面?zhèn)龋@孔仰角沿煤層布置，孔口距底板1.0～1.5m；孔徑?110mm，孔深25m，間距2m，監(jiān)測到高度沖擊危險(xiǎn)時(shí)需要調(diào)整卸壓鉆孔密度。

3.3 卸壓效果

通過微震發(fā)生位置進(jìn)行對比可以看出，微震事件逐漸遠(yuǎn)離巷道幫部，向煤層深部轉(zhuǎn)移，將應(yīng)力集中區(qū)限定到工作面內(nèi)部，避免了誘發(fā)巷道沖擊。

根據(jù)2013年9月10-9月17日微震觀測結(jié)果，預(yù)測運(yùn)輸巷走向長度400～430m處受巷道開挖與7-15斷層影響形成的地質(zhì)孤島煤柱應(yīng)力集中，微震事件頻發(fā)，屬于薄弱區(qū)段，容易出現(xiàn)微震事件誘發(fā)煤柱煤體沖出或大面積片幫，安全隱患大。鉆孔卸壓前微震事件投影見圖2。

圖2 鉆孔卸壓前微震事件平面投影圖

針對上述問題，9月18日-9月20日在該區(qū)域組織施工卸壓鉆孔，鉆孔深度以在施工過程中鉆進(jìn)到巖層為準(zhǔn)，孔口高度0.5～1.5m，鉆孔直徑110mm，孔間距3m。

實(shí)際施工過程中以400～425m范圍為界，每3m使用氣動鉆機(jī)施工1個卸壓鉆孔，鉆桿直徑69mm，鉆頭直徑110mm，成孔直徑達(dá)到120 mm，累計(jì)施工卸壓鉆孔8個，深度都已見巖層200mm為準(zhǔn)，平均深度8m。

圖3 鉆孔卸壓后微震事件平面投影圖

施工卸壓鉆孔后，對9月21-9月28日微震觀測結(jié)果進(jìn)行分析，鉆孔卸壓后微震事件平面投影見圖3。由圖3中可以明顯看出微震事件次數(shù)明顯減少，能量明顯減弱， 維修成本高、影響安全生產(chǎn)等缺點(diǎn)，極大地減輕工人的勞動強(qiáng)度，與U形鋼可縮性拱形支架相比成本有了很大地降低，在同類型的巷道加固中具有很高的推廣價(jià)值。

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