周剛

（陜西火石咀煤礦有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 713599）

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采強(qiáng)度的增大和開(kāi)采年限的增加，許多礦井轉(zhuǎn)入深部開(kāi)采，沖擊地壓逐漸成為影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素[1-4]。從1985 年—2019年，我國(guó)沖擊地壓礦井由32 個(gè)增加至185 個(gè)，發(fā)生頻率和強(qiáng)度均有明顯增長(zhǎng)。因此，對(duì)于受沖擊地壓威脅的礦井，建立一套有效的防沖預(yù)警和控制系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦的安全生產(chǎn)具有重要意義[5-7]。

1 概 況

陜西火石咀煤礦8704 工作面位于七采區(qū)，工作面北側(cè)為8706 采空區(qū)，南側(cè)為8702 待掘工作面，東側(cè)為礦井3 條集中大巷，西側(cè)為薄煤層邊界。工作面所采煤層為延安組4-2層，煤層厚度3.0~11.6 m，平均厚度6.5 m。煤層普氏系數(shù)為1.5 ~3.5，中間硬度較大，頂?shù)装甯浇捕容^小，煤層傾角為0~5.4°，為近水平煤層。工作面附近210地質(zhì)鉆孔的柱狀圖如圖1 所示。

圖1 210 地質(zhì)鉆孔柱狀圖Fig.1 Columnar of No.210 Borehole

8704 工作面開(kāi)切眼長(zhǎng)度為200 m，設(shè)計(jì)推進(jìn)距離1 644 m，工作面標(biāo)高421.6—487.7 m，地面標(biāo)高977.4—1 082 m。工作面采用走向長(zhǎng)壁支撐掩護(hù)式低位放頂煤支架支護(hù)，綜采放頂煤采煤，SSJ1200/4×315 kW 可伸縮皮帶運(yùn)煤。機(jī)采高度3 m，放頂煤高度0 ~ 3.5 m，采煤機(jī)截深800 mm，放頂煤步距800 mm，一刀一放，多循環(huán)作業(yè)。

2 沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)計(jì)

2.1 沖擊地壓影響因素

根據(jù)8704 工作面的地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件，結(jié)合沖擊啟動(dòng)理論分析，工作面回采期間沖擊發(fā)生的主要影響因素有2 點(diǎn)。

（1） 煤層埋藏深度。8704 工作面4-2煤的平均埋深為592 m，最大埋深640 m，區(qū)域靜載壓力大，如果超過(guò)了煤體的極限強(qiáng)度，則有可能誘發(fā)沖擊地壓。

（2） 煤巖物理力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)沖擊傾向性鑒定結(jié)果，該礦7 采區(qū)4-2煤具有一定的沖擊傾向性，頂?shù)装寰腥鯖_擊傾向性。該類煤巖體受高壓影響，在極小擾動(dòng)下都有發(fā)生沖擊地壓的可能。

2.2 沖擊等級(jí)評(píng)價(jià)

通過(guò)綜合指數(shù)法確定8704 工作面的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估指數(shù)為0.29。該工作面在回采過(guò)程中有弱沖擊危險(xiǎn)性，危險(xiǎn)區(qū)域劃分為I 類，回采期間整個(gè)工作面為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。

3 沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警方案

3.1 分級(jí)預(yù)警防治方案

沖擊地壓的監(jiān)測(cè)與預(yù)警是防沖工作的前提與基礎(chǔ)，對(duì)于盡早發(fā)現(xiàn)潛在的沖擊區(qū)域、及時(shí)采取有效措施具有重要的意義。對(duì)于掘進(jìn)巷道和工作面回采主要的監(jiān)測(cè)手段有2 種：地應(yīng)力測(cè)量、鉆屑法等巖石力學(xué)方法；微震、應(yīng)力監(jiān)測(cè)等地球物理方法[8-9]。不同的監(jiān)測(cè)方法分別監(jiān)測(cè)沖擊地壓的不同影響因素，形成了圖2 的分級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警方案。

圖2 沖擊地壓分級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警方案Fig.2 Grading monitoring and early warning scheme of rockburst

3.2 動(dòng)載監(jiān)測(cè)方案

《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》明確規(guī)定，采用微震技術(shù)監(jiān)測(cè)沖擊地壓時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置應(yīng)當(dāng)覆蓋整個(gè)采掘區(qū)域。采用KJ551 微震系統(tǒng)對(duì)全礦沖擊地壓工作面進(jìn)行無(wú)間斷實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。在8704 工作面兩順槽布置微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)料巷中超前工作面前方100 m 布置1 組檢波器，一共布置3 組，間距為150 m，運(yùn)輸巷超前工作面前方150 m 布置1 組檢波器，一共布置3 組，間距為150 m。兩巷檢波器交替布置。當(dāng)工作面推至檢波器后方80 m 時(shí)，外移檢波器，保證工作面前方150 m 處于監(jiān)測(cè)范圍中。

3.3 靜載監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)沖擊地壓防治細(xì)則的規(guī)定，可采用鉆屑法對(duì)局部沖擊地壓區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在煤層中施工鉆孔，利用鉆屑法進(jìn)行局部監(jiān)測(cè)。鉆孔直徑為42 mm，孔深為10 m。根據(jù)8704 工作面沖擊傾向性評(píng)價(jià)結(jié)果，鉆孔間距為30 m，鉆孔距底板的高度為1.0 m，單排布置，垂直于巷幫。工作面前方100 m 范圍之內(nèi)，3 d 進(jìn)行一次，每次鉆孔數(shù)量不少于3 個(gè)。鉆屑法鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 鉆屑法鉆孔布置Fig.3 Drilling arrangement of cuttings method

3.4 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

沖擊地壓的發(fā)生是煤層靜載和工作面動(dòng)載共同作用的結(jié)果。因此在開(kāi)采具有沖擊地壓傾向的煤層時(shí)，還需對(duì)工作面的超前支承壓力等進(jìn)行觀測(cè)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)主要是對(duì)巷道及工作面前方的應(yīng)力分布及大小、峰值和支承壓力變化情況等進(jìn)行記錄。

在兩巷內(nèi)超前工作面20 m 開(kāi)始，間距25 m 開(kāi)始布置應(yīng)力觀測(cè)站，每個(gè)測(cè)站布置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，鉆孔的深度分別為8 m 和14 m，孔間距為1.0 m。測(cè)點(diǎn)布置在工作面前方300 m 范圍內(nèi)，當(dāng)進(jìn)入工作面前方10~15 m 時(shí)，依次前移傳感器，確保超前支承壓力始終在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)。具體布置方案如圖4 所示。

圖4 工作面應(yīng)力傳感器布置示意Fig.4 Layout of stress sensor in working face

4 沖擊地壓防治措施

4.1 大直徑鉆孔卸壓

大直徑鉆孔卸壓技術(shù)一般用于掘進(jìn)頭和工作面煤幫中，是一種預(yù)防性防沖技術(shù)[10-12]。通過(guò)施工大直徑的卸壓鉆孔，釋放淺部應(yīng)力，并促使圍巖集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。

一般工作面前方超前支承壓力影響區(qū)是沖擊地壓發(fā)生較多的區(qū)域，是防控的重點(diǎn)。因此，在該范圍內(nèi)施工大直徑鉆孔效果較好。在工作面兩巷向垂直回采幫施工鉆孔，直徑為100~150 mm，鉆孔深度為20 m，間距為3 m，鉆孔位于底板以上1.0 m的位置。

4.2 煤層注水

煤層的單軸抗壓強(qiáng)度隨含水量的增加而降低，通過(guò)高壓及靜壓注水，提高煤層中的含水量，可以起到軟化煤體的作用[13-14]。在工作面前方150 m 范圍內(nèi)進(jìn)行注水，注水孔的深度為150 ~200 m，封孔長(zhǎng)度為25 m，注水孔的間距為20 m，注水孔垂直巷道布置，位于巷道中部。注水孔的直徑為75 mm，注水壓力平均為8 MPa，當(dāng)壓力低于5 MPa時(shí)，停止注水。注水孔布置如圖5 所示。

圖5 注水孔布置Fig.5 Layout of water injection hole

4.3 煤體爆破卸壓

在工作面回采期間，如果通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、在線應(yīng)力系統(tǒng)以及鉆屑法等監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，而以上防突措施效果不理想時(shí)，可以進(jìn)一步采用爆破卸壓的方式。在鉆屑法測(cè)量的過(guò)程中發(fā)生吸鉆、頂鉆等現(xiàn)象時(shí)，在該孔以及前后各5 m 范圍內(nèi)進(jìn)行爆破，直到無(wú)動(dòng)力現(xiàn)象為止。正常情況下，在危險(xiǎn)區(qū)域前后各15 m 范圍內(nèi)爆破，爆破鉆孔深度大于10 m，直徑為42 mm，單孔裝藥量不大于5 kg，封孔長(zhǎng)度不小于三分之一。爆破順序應(yīng)當(dāng)從工作面向停采線依次進(jìn)行，使得高應(yīng)力遠(yuǎn)離工作面，保證回采安全。

5 結(jié) 論

（1） 根據(jù)沖擊傾向性鑒定結(jié)果，4-2 煤層頂?shù)装寰腥鯖_擊傾向性。8704 工作面的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估指數(shù)為0.29，為I 類危險(xiǎn)區(qū)域。

（2） 大直徑鉆孔可以促進(jìn)裂隙的發(fā)育，釋放淺部應(yīng)力，并促使圍巖集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到卸壓的目的，是一種預(yù)防性防沖技術(shù)。

（3） 通過(guò)采用微震監(jiān)測(cè)、在線應(yīng)力監(jiān)測(cè)以及鉆孔卸壓、煤層注水等，形成了沖擊地壓分級(jí)監(jiān)測(cè)、解?？刂企w系，取得了較好的防沖效果。