第45屆等級獎論文---大興煤礦孤島工作面沖擊地壓綜合防治技術實踐
尚海,徐世波,劉勇
摘 ?要 ：大興煤礦受采掘布置的限制，回采南二903工作面時，形成孤島工作面，受臨近采空區(qū)的影響，應力集中程度很高，且地質(zhì)條件復雜，具有斷層，厚硬頂板，火成巖等多種地質(zhì)構(gòu)造，極易誘發(fā)沖擊地壓。通過對大興煤礦礦震活動分析，采取了有效的卸壓解危措施，以降低地應力為主線并結(jié)合強支護、強監(jiān)測、強限員進行了防沖工作實踐。
關鍵詞：地質(zhì)構(gòu)造 沖擊地壓 防治體系
1 引言
大興煤礦于2018年6月確定為沖擊地壓礦井，在防治沖擊地壓方面處于起步階段，大興煤礦南二903工作面于2019年2月份開始回采，在回采過程逐步確定和摸索出了該工作面開采過程中的監(jiān)測預警方案，卸壓解危、安全防護以及加強巷道支護等一系列防治措施，保證了工作面的安全回采，總結(jié)出了大興煤礦沖擊地壓防治的寶貴經(jīng)驗，也查找出了沖擊地壓防治方面的不足，為后續(xù)工作面的安全開采提供借鑒。
2 南二903工作面概況
工作面位于大興煤礦9號煤層南二采區(qū)中部，東鄰902采空區(qū)，西鄰905采空區(qū)，之間煤柱均為8米；南部為未采動區(qū)；北部為采區(qū)煤柱，因而形成了孤島工作面，該面上鄰7-2煤層，北部未采動,南部為南五717、南五719上采空區(qū)。工作面大面走向長580m，傾斜寬178m；收縮面走向長302m，傾斜寬95m，工作面面積126933m2，903工作面位置如圖1所示。
圖1 ?南二903工作面布置圖
3沖擊危險防治技術方案
3.1沖擊地壓綜合防治體系
通過兩年2018～2019年防沖工作的實踐與摸索，大興煤礦確立了防沖 “15336”工作體系（ 1策：一面一策一評價、5有：防沖工程實施做到有設計，有措施，有施工負責人，有驗收人，有工程標識、3強：強卸壓，強支護，強監(jiān)測、3限：限時、限員、限強度、6跟蹤：防沖隱患治理做到排查跟蹤，記錄跟蹤，處罰跟蹤，整改跟蹤，驗收跟蹤，通報跟蹤），確保防沖工作能夠扎實推進。
3.2沖擊地壓綜合防治思路
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圖2 ?903工作面沖擊地壓綜合防治思路
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3.3 工作面沖擊危險性監(jiān)測方法
采用鉆屑法、YDD16煤巖動力災害聲電檢測儀檢測、KJ24頂板動態(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)進行局部沖擊危險性預測，采取SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)對工作面進行區(qū)域監(jiān)測預警。
3.2.1 鉆屑法檢測
工作面前方90m以內(nèi)巷道實體煤側(cè)施工取屑鉆孔。鉆孔直徑42mm，開孔高度為距離底板0.5-1.5m，孔深10m；巷道幫部間距15m，對于劃分的中等及以上危險區(qū)域每2天實施一次，對弱危險區(qū)域每3天實施一次；鉆孔方向與煤壁垂直，平行于煤層。對每米鉆屑量進行稱重并觀察打鉆過程中是否發(fā)生動力現(xiàn)象，鉆屑臨界值為4.5kg/m，每米鉆屑值達到或超過4.5kg/m認定有沖擊危險，必須停止作業(yè)采取卸壓解危措施。布置方案如圖2所示。南二903工作面全年進行取屑檢測92次，均無超過臨界指標的情況。
圖3 ?工作面鉆屑法檢測孔布置示意圖
3.3.2 ?YDD16煤巖動力災害聲電檢測儀
該儀器利用電磁輻射和聲發(fā)射數(shù)值的變化，判定工作面的沖擊危險性，首先經(jīng)過1個月的數(shù)據(jù)采集確定南二903工作面的臨界指標，電磁輻射臨界指標為54.5mv，聲發(fā)射臨界值指標為423.2mv。在兩順進行指標測試，距工作面10米開始在工作面軟幫沿走向方向布置12個測點，測點間距10m，兩順各12個點。作為鉆屑法的輔助預測，確定工作面沖擊危險性的變化趨勢。
3.3.3 ?KJ24頂板動態(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)局部監(jiān)測
系統(tǒng)于2019年2月份正式在南二903工作面投入使用，該系統(tǒng)用于監(jiān)測工作面支架支撐壓力、工作面前方錨桿、錨索的受力情況、頂板離層情況以及前方煤體的應力變化，做為判定工作面危險性作為主要依據(jù)。
3.3.4 SOS微震系統(tǒng)區(qū)域監(jiān)測
SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)于2018年6月份在南二903工作面投入使用，工作面采用微震監(jiān)測法進行區(qū)域監(jiān)測，對微震信號進行實時、動態(tài)監(jiān)測，并確定微震發(fā)生的時間、能量及三維空間坐標等參數(shù)。通過對微震發(fā)生的時間、能量、震源深度、定位位置、微震頻次的記錄做以分析、比對，分析判斷發(fā)生沖擊地壓的可能性。
自南二903工作面開始回采至采終共監(jiān)測到1427次微震事件，最大能量為3.03E+06J,總能量為6.06E+06J.其中能量小于103J的780次，（注：達到100J的 4次，達到101J的 113次，達到102J 的663次），能量達到103J的 622 次，能量達到104J的 24次，能量達到106J的 1 次。從整體震源分布來看，震源集中在超前工作面200m的巷道和采空區(qū)，發(fā)生在超前工作面的巷道一方面是由于受采動影響，另一方面是受到工作面“見方”影響，針對這類微震事件，主要采取施工卸壓爆破鉆孔進行爆破卸壓，采取鉆屑法進行驗證其措施的有效性，對于發(fā)生在采空區(qū)的微震事件，主要是由于采空區(qū)頂板跨落造成的能量釋放，針對此類情況，主要采取加密預測，保證各項指標均在臨界值以下，方可繼續(xù)回采。
3.4 局部卸壓與降低應力集中研究
大興煤礦903孤島工作面受動力現(xiàn)象影響較為嚴重，因此采取多種卸壓措施綜合防治。
3.4.1 巷道幫部大直徑鉆孔卸壓
南二903工作面靜載應力水平較高，易出現(xiàn)強動力顯現(xiàn)現(xiàn)象，因此兩巷的大直徑鉆孔在強沖擊危險區(qū)域應當加密布置，鉆孔直徑114mm，孔間距為2m，鉆孔深度20 m，平行煤層方向，直線布置，與原卸壓孔交錯布置。 運、回順在工作面安裝前共計施工大直徑卸壓鉆孔226個，共計施工4520m。卸壓鉆孔施工如圖4所示：
圖4 ?南二903工作面防沖工程圖
3.4.2煤體爆破卸壓
在工作面“見方”前后、三角煤柱區(qū)域、斷層附近、工作面縮面期間、應力集中區(qū)域施工卸壓爆破鉆孔，孔徑Ф42mm，孔間距5m，孔深10m，單孔裝藥量為3.0Kg，用黃泥進行封孔，封孔長度5m。工作面兩順共計施工爆破卸壓鉆孔135個，其中運順施工爆破卸壓鉆孔圖4所示。
圖5 工作面巷道兩幫卸壓爆破鉆孔布置圖
3.4.3 工作面頂板深孔預裂
南二903工作面每回采30-35m，正好處于來壓周期壓范圍內(nèi)，在工作面支架間頂板施工頂板預裂鉆孔，運順施工位置開始在工作面距離運順三角點距離10m處，回順施工位置開始在工作面距離回順三角點距離10m處。鉆孔深度12m，鉆孔施工角度與煤層層面夾角為70?，垂直方向投影不小于11.2m。鉆孔布置如圖5所示。根據(jù)工作面推進情況，大約每周施工一次，保證了工作面采空區(qū)頂板的順利冒落，減少了大能量微震事件的發(fā)生。從2019年5月開始共計施工頂板預裂鉆孔23次，鉆孔276個總計3312m。
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圖6 工作面頂板預裂鉆孔布置圖
3.4.4 煤體高壓注水
煤體注水不但能提高其本身的塑性，還降低存儲彈性能量的能力，因此采取此方法降低發(fā)生沖擊地壓的危險。
南二采區(qū)9煤層煤體較硬，在完成浸水性試驗后，根據(jù)煤體的堅固性系數(shù)確定每個鉆孔超前工作面的注水時間和停止時間，保證有效性（如表1所示），根據(jù)大興煤礦防突實驗室測定的9煤層堅固性系數(shù)f值為1.3-1.61，從而確定了每個鉆孔開始注水時間為距離工作面40m時，停止注水時間為鉆孔距離工作面10m時。
表 1 合理注水區(qū)域選擇參考表
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|
注水起止位置 |
軟媒f≤1 |
中硬煤（1≤f≤2.5） |
硬煤（f≥2.5） |
|
開始注水超前工作面/m |
40～60 |
30～50 |
20～35 |
|
停止注水超前工作面/m |
10～20 |
8～15 |
3～10 |
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煤體注水軟化布置：
(1)在運順采煤幫側(cè)施工注水孔，增加煤體塑性。
(2)從開采前切眼開始，開采后超前工作面200m以內(nèi)在運順上幫煤體內(nèi)布置注水孔，參數(shù)為：孔距12m，孔徑Φ114mm，孔深30、50、90m，鉆孔與運順煤壁垂直，沿煤層傾向布置，使用ZDY3200L進行施工?！皟啥乱蛔ⅰ睅悍饪灼鞣饪祝饪组L度不小于10m。
(3)使用高壓注水泵注水，注水壓力不小于12Mpa，當注水壓力降至4Mpa以下時或煤體出現(xiàn)滲水后改為靜壓注水，以保證煤體含水量增量大于2%。
南二903運順共計施工高壓注水鉆孔62個，總注水量為5613m?。
4 強支護、強限員措施、限制回采速度
4.1 強支護方式
增加南二903工作面超前支護段長度，由原來的25m增加至超前200m布置替棚支架，南二903回順安設替棚支架27架，超前支護長度為205米，南二903運順安設替棚支架25架，超前支護長度為207米。保障了超前支護段人員的作業(yè)安全。
4.2 強限員措施
工作面運、回順口設置防沖管理站、管理站備有防護服、防沖頭盔，人員進入時必須穿戴好防護裝備。防沖管理站由生產(chǎn)單位安排專人發(fā)放沖擊危險區(qū)域準入卡片，憑證進入。工作面生產(chǎn)期間，兩順超前工作面200m范圍內(nèi)嚴禁人員進入，通過、作業(yè)，其它作業(yè)地點合計限員16人，工作面檢修期間限員40人。
4.3 限制回采速度
903工作面嚴格控制推進速度，減少由于開采強度大而造成微震事件的集中，降低開采強度，規(guī)定每天推進4刀，并保證勻速推進，白班不生產(chǎn)，四點班、零點班各采2刀，并根據(jù)微震數(shù)據(jù)變化情況及時調(diào)整刀數(shù)。
5 結(jié)論
(1)通過沖擊地壓強度弱化減沖原理，實施煤層高壓注水、大直徑鉆孔卸壓、煤體爆破和頂板預裂等預防和解危技術的實施，將南二903工作面沖擊地壓危險性降低減弱，保證了工作面的安全回采。
(2)在嚴格執(zhí)行各項防沖措施的同時，必須保證強限員、強支護落實到位，真正意義上做到“有震無災、有沖無傷、可防可控”。
(3)在采區(qū)設計和進行采掘布局時，還是應該盡量避免孤島開采，并保證采止線對齊，減少人為因素增加工作面的開采風險和開采難度。
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