蔡誼軍,李鵬飛,計(jì) 平

(陜西華彬煤業(yè)股份有限公司,陜西 咸陽 713500)

0 引言

下溝煤礦已進(jìn)入回采后期,礦井面臨資源短缺,后續(xù)接替資源不足的問題。第一個(gè)煤柱回收工作面的成功回收對礦井具有極其重要的意義,對于延續(xù)礦井服務(wù)年限,維持礦井生產(chǎn)運(yùn)營,提高礦井資源回收率等也都有重要意義,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但煤柱回收也面臨開采條件復(fù)雜、沖擊地壓防治難度大、過老巷頂板難以控制、巷道幫鼓、底鼓等諸多難題,本文就煤柱回收工作面沖擊地壓防治技術(shù)進(jìn)行簡單分析[1-6]。

1 工程背景

1.1 礦井概況

下溝煤礦位于彬長礦區(qū)東南部,東與火石咀煤礦相鄰,南與水簾洞煤礦相接,西鄰大佛寺煤礦和大佛寺保護(hù)區(qū),北與官牌井田相接,屬正常生產(chǎn)礦井,核定生產(chǎn)能力為270萬t/a。礦井為高瓦斯礦井,自燃煤層,煤塵具有爆炸性,水文地質(zhì)類型為中等,煤層及頂板具有弱沖擊傾向性。

礦井采用分區(qū)式通風(fēng)方式,抽出式通風(fēng)方法,主斜井、副斜井和行人斜井進(jìn)風(fēng),上溝立井、水簾斜井回風(fēng)。目前礦井回采ZF2822工作面[7-8]。

1.2 工作面概況

ZF2822孤島工作面是下溝煤礦401采區(qū)西二水平布置的集中巷道煤柱回收工作面,其井下具體位置:東為401下山保護(hù)煤柱,西為404下山保護(hù)煤柱,南為ZF1816工作面采空區(qū),北為ZF2815～ZF2820采空區(qū)。ZF2822孤島工作面標(biāo)高在473～487 m之間,地面標(biāo)高在840～860 m之間,埋深約370 m,其上部地表為溝谷切割的塬梁地貌,工作面的回采對地面設(shè)施無影響,如圖1所示。

圖1 ZF2822孤島工作面布置Fig.1 Layout of ZF2822 “isolated island” working face

1.3 工作面沖擊危險(xiǎn)等級

根據(jù)煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全監(jiān)測中心提供的《下溝煤礦4煤及頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性鑒定報(bào)告》(2021年7月),經(jīng)鑒定下溝煤礦4號煤層及其頂板巖層具有弱沖擊傾向性,4號煤層底板巖層為無沖擊傾向性。

下溝煤礦ZF2822工作面回采期間沖擊危險(xiǎn)的評價(jià)及防治必須有針對性。首先排查誘發(fā)沖擊地壓的因素,其次采用綜合指數(shù)法進(jìn)行宏觀評價(jià),確定沖擊地壓危險(xiǎn)等級,最后根據(jù)各因素的影響范圍的耦合結(jié)果,劃分各危險(xiǎn)區(qū)域的危險(xiǎn)程度。

綜合指數(shù)法類比的沖擊地壓危險(xiǎn)影響因素主要包括地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件2大類影響因素。多因素耦合法主要考慮的影響因素有:煤的沖擊傾向性、地質(zhì)構(gòu)造(斷層、褶曲等)、煤巖結(jié)構(gòu)、覆巖結(jié)構(gòu)、開采技術(shù)條件等[9]。

各因素對沖擊地壓危險(xiǎn)的影響程度大小,主要采用礦壓分析、工程類比、理論計(jì)算等方法進(jìn)行。

ZF2822工作面回采期間沖擊地壓危險(xiǎn)評價(jià)流程如圖2所示。

圖2 工作面回采期間沖擊地壓危險(xiǎn)性評價(jià)流程Fig.2 Risk evaluation process of rock burst during working face mining

2022年9月西安科技大學(xué)對下溝煤礦ZF2822工作面開展了沖擊地壓評價(jià)工作,根據(jù)綜合指數(shù)法,和多因素耦合法的綜合預(yù)測,ZF2822工作面回采期間具有弱沖擊危險(xiǎn)性。

2 回采期間沖擊地壓危險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警方案

目前常用的沖擊地壓危險(xiǎn)性監(jiān)測預(yù)警方法主要有3類:第1類是常規(guī)的礦山壓力監(jiān)測方案;第2類是以鉆屑法為主的巖石力學(xué)方法;第3類是以微震和電磁輻射監(jiān)測為主的地球物理方法。由于沖擊地壓在發(fā)生時(shí)是動載荷靜載共同作用的結(jié)果,因此沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測需要采取區(qū)域、局部監(jiān)測和定點(diǎn)監(jiān)測相結(jié)合的方法。對于ZF2822工作面回采期間的沖擊地壓危險(xiǎn)監(jiān)測,可采用微震監(jiān)測、鉆屑監(jiān)測、應(yīng)力在線監(jiān)測等綜合進(jìn)行,并采用常規(guī)礦壓監(jiān)測作為補(bǔ)充監(jiān)測手段。

鑒于宏觀評價(jià)ZF2822工作面回采期間整體具有弱沖擊危險(xiǎn),礦方應(yīng)配置微震監(jiān)測設(shè)備,并輔以鉆屑法對危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行抽檢,同時(shí)可選擇應(yīng)力在線監(jiān)測、工作面礦壓監(jiān)測等設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充監(jiān)測。微震監(jiān)測可確定應(yīng)力分布范圍,而應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆孔應(yīng)力變化趨勢。每天安排專人對上述監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行動態(tài)分析,形成防沖日報(bào)表,并在監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的危險(xiǎn)區(qū)域利用鉆屑監(jiān)測進(jìn)行校驗(yàn),發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)信息應(yīng)及時(shí)上報(bào)礦領(lǐng)導(dǎo)[10-12]。

因此,采用早期綜合分析與即時(shí)監(jiān)測預(yù)警相結(jié)合,區(qū)域預(yù)測與局部監(jiān)測、點(diǎn)預(yù)測相結(jié)合,構(gòu)成可靠性高、簡單易行、行之有效的沖擊地壓危險(xiǎn)性預(yù)測技術(shù)體系。依據(jù)監(jiān)測預(yù)警結(jié)果,確定沖擊危險(xiǎn)程度等級,即無沖擊危險(xiǎn)、弱沖擊危險(xiǎn)、中等沖擊危險(xiǎn)和強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。根據(jù)沖擊危險(xiǎn)不同等級,采用相應(yīng)的解危和處理方案。

3 工作面回采期間沖擊地壓防治技術(shù)方案

3.1 工作面回采期間超前預(yù)卸壓措施

ZF2822工作面回采期間沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的防治主要需達(dá)到以下3個(gè)目的:①對工作面巷道周圍的煤巖體進(jìn)行弱化,降低其強(qiáng)度與應(yīng)力集中程度,或使應(yīng)力高峰區(qū)向巖體深部轉(zhuǎn)移;②降低覆巖破斷等震源能量的大小,降低其對高應(yīng)力煤體的動態(tài)擾動影響;③采取上述措施后,降低沖擊地壓的危險(xiǎn)程度。

在ZF2822工作面回采期間,可根據(jù)實(shí)際需要,采取巷道布置方式、控制工作面回采速度等區(qū)域防治方案措施,局部防治措施可采取煤體大直徑鉆孔卸壓、煤體卸壓爆破、底板大直徑鉆孔卸壓等方式進(jìn)行配合使用。根據(jù)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域劃分,對有沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域采取必需的預(yù)處理措施,并及時(shí)利用沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測手段監(jiān)測檢驗(yàn)治理效果,對于監(jiān)測到的有異常礦壓顯現(xiàn)的區(qū)域,要及時(shí)采取解危措施,如圖3所示。

圖3 工作面回采期間沖擊地壓防治思路Fig.3 Prevention and control thinking of rock burst during working face mining

3.2 工作面回采期間解危措施

3.2.1 煤體大直徑鉆孔解危

當(dāng)工作面回采監(jiān)測到?jīng)_擊危險(xiǎn)時(shí),首先利用鉆屑法確定危險(xiǎn)范圍,然后采取解危措施,大直徑鉆孔解?？讖健?25 mm、長度大于預(yù)卸壓鉆孔5 m,(由于工作面區(qū)段煤柱為20 m與6 m,區(qū)段煤柱側(cè)施工時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整孔深),鉆孔施工時(shí)要與之前的卸壓鉆孔交錯布置。

首先在預(yù)卸壓鉆孔中間進(jìn)行施工,若施工完第一輪鉆孔后沒有消除沖擊危險(xiǎn),應(yīng)在第一輪鉆孔與預(yù)卸壓鉆孔中間補(bǔ)打鉆孔,進(jìn)行第二輪鉆孔施工,若三輪以上施工后仍未消除沖擊危險(xiǎn),可采取煤體爆破解危辦法。施工原則:一般由外向里施工,在距危險(xiǎn)區(qū)域一側(cè)10～15 m位置,逐漸向危險(xiǎn)區(qū)域施工,直到?jīng)_擊危險(xiǎn)區(qū)域另一側(cè)10～15 m位置。鉆孔施工完畢后,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況使用“水泥”進(jìn)行封孔,封孔長度2.4 m。

3.2.2 煤體爆破解危

經(jīng)評價(jià)劃定的沖擊危險(xiǎn)區(qū)對煤層兩幫、底板施工φ153 mm大直徑卸壓鉆孔進(jìn)行卸壓;回采期間特殊時(shí)期、特殊區(qū)域153 mm大直徑卸壓鉆孔效果不理想或施工條件達(dá)不到要求時(shí),可采用煤體爆破卸壓措施,使用前編制專項(xiàng)安全技術(shù)措施。

3.2.3 效果檢驗(yàn)

由于沖擊地壓的復(fù)雜性以及沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的相對隱蔽性,沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嵤┙馕４胧┖?沖擊危險(xiǎn)區(qū)域可能未完全消除,或由于應(yīng)力轉(zhuǎn)移使得鄰近區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性升高,因此必須及時(shí)對解危效果進(jìn)行檢驗(yàn)。防沖措施的效果檢驗(yàn)方法和指標(biāo)可參照沖擊地壓危險(xiǎn)的監(jiān)測預(yù)警方法和指標(biāo)。效果檢驗(yàn)的方法主要有鉆屑監(jiān)測法、應(yīng)力監(jiān)測法、微震法等。如果所有檢驗(yàn)方法均判定無沖擊危險(xiǎn),則解危區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性得到消除;當(dāng)其中一種檢驗(yàn)方法仍具有沖擊地壓危險(xiǎn)時(shí),則需繼續(xù)采取解危措施,直到經(jīng)檢驗(yàn)沖擊地壓危險(xiǎn)解除為止。

4 結(jié)論

(1)4號煤層及頂板均具有弱沖擊傾向性;受底煤厚度變化影響,煤層厚度變化對沖擊地壓的影響較大;ZF2822工作面所在區(qū)域頂板巖層的厚度特征參數(shù)值Lst為88.43,大于50,對沖擊地壓的影響較大;ZF2822回風(fēng)順槽與ZF2815～ZF2820工作面采空區(qū)留有20 m的煤柱,對沖擊地壓的影響較大;ZF2822工作面回采期間留設(shè)有1～2 m的底煤,對沖擊地壓的影響較大;ZF2822工作面與ZF2815～ZF2820、ZF1816采空區(qū)外錯,ZF2822工作面切眼與ZF2820工作面運(yùn)輸順槽外錯距離為35 m,與ZF1816工作面切眼外錯距離為25 m,ZF2822工作面停采線與ZF2815工作面運(yùn)輸順槽外錯距離為16 m,對沖擊地壓的影響較大。

(2)通過綜合指數(shù)法確定了ZF2822工作面回采期間沖擊地壓危險(xiǎn)的綜合指數(shù)為0.38,初步判斷ZF2822工作面具有弱沖擊危險(xiǎn)性;基于多因素耦合分析法對ZF2822工作面回采期間的沖擊危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行分級分區(qū)劃分。ZF2822工作面回采期間共劃分強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域2處,中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域7處,弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域10處。

(3)針對ZF2822工作面回采期間沖擊地壓危險(xiǎn),提出了監(jiān)測預(yù)警方案:采用微震、應(yīng)力在線、鉆屑法進(jìn)行監(jiān)測,同時(shí)采用礦壓監(jiān)測法進(jìn)行補(bǔ)充監(jiān)測;設(shè)計(jì)ZF2822工作面回采期間預(yù)卸壓與及時(shí)解危相結(jié)合的沖擊地壓防治技術(shù)方案及卸壓解危措施的效果檢驗(yàn)方案,根據(jù)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域分布圖,提出針對重點(diǎn)防治區(qū)域的監(jiān)測和防治措施。

(4)結(jié)合下溝煤礦實(shí)際情況,從安全防護(hù)措施、人員管理、物料管理、沖擊地壓事故處理、沖擊地壓避災(zāi)路線、人員培訓(xùn)等方面給出下溝煤礦沖擊地壓防治組織管理技術(shù)措施。按照區(qū)域先行,局部跟進(jìn)的防沖原則,及時(shí)采取有效的防治措施進(jìn)行控制,加強(qiáng)安全管理,提升安全管理水平,從制度、人員安全意識、人員素質(zhì)水平以及設(shè)備完善等方面嚴(yán)格把控,把安全隱患扼殺在萌芽之中,最大限度地避免沖擊地壓事故的發(fā)生,促進(jìn)企業(yè)健康穩(wěn)定地發(fā)展。