龙家堡矿409工作面冲击地压危险区划分及防治

2015-05-08高文利

江西煤炭科技 2015年4期

高文利

（辽源矿业（集团）有限责任公司，吉林辽源136201）

随着开采深度的增加，龙家堡煤矿面临深部开采的冲击地压灾害治理难题，尤其是受到采深、巨厚砾岩、逆冲断层、煤岩固有冲击倾向性等地质因素的影响〔1〕，冲击地压危害日益突出。特别是随着409工作面回采临近结束线，受工作面超前支承压力、巷道侧向支承压力以及三条下山之间应力集中的影响，409工作面剩余部分应力集中程度越来越高。加上回采扰动，工作面发生冲击危险可能性很大。因此必须采取冲击地压防治措施以保证工作面安全生产。

1 工作面概况

409工作面位于－880m水平东翼一采区，走向长1250m，倾向长155.5m，地表标高200～205m，井下标高－714m～－745m。所采煤层为Ⅱ煤。煤层走向13°～60°，倾角8°～24°（平均16°）。煤层厚8.45～17.45m（平均11.5m），含2～4层夹矸；夹石厚0.2～0.5m（局部1.5 m），岩性为泥岩和粗砂岩，泥岩遇水易泥化。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

本区地质条件较为复杂，断层构造使工作面巷道发生冲击矿压的危险性大大增加。根据工作面巷道及开切眼实际揭露，对回采影响较大、具有诱发冲击矿压危险的断层有S4、S5和集中胶带运输巷的F12。

2 危险区域划分

由于409工作面埋深900～950m，埋深大，地应力高；受306、307、410工作面采空区、下山煤柱区域众多巷道及硐室的影响，工作面开采区域采动应力集中程度很高；加上F12、S4、S5断层构造，开采区域面临冲击矿压危险；而且随着409工作面的推进，其冲击危险性还将逐渐增加。

根据顶板“O－X”破断与见方失稳理论，在工作面推进过程中存在数个冲击来压危险区域〔2－3〕。409工作面开采前方和侧向300m影响范围内，这几个危险区域内采掘巷道作为冲击地压监测的重点加强监测，确定危险区域。

根据冲击矿压发生的危险等级不同，将危险区域划分为一般危险区域、中等冲击矿压危险区域和强冲击矿压危险区域。根据监测结果，对409工作面回采结束阶段周围300m范围内的危险区域进行了划分（见图1）。其中，椭圆区域Ⅰ为强冲击地压危险区域，椭圆区域Ⅱ为中等冲击地压危险区域。具体危险区域包括：409入风（回风）顺槽、409转载皮带道至411入风顺槽口门100m及411入风卡轨车硐室、408入风顺槽至边界道、－880m避难硐室及－880m回风石门至回风顺槽200m范围。

图1 危险区域划分示意

3 冲击矿压危险区域防治技术

目前，龙家堡矿防治冲击地压的技术措施主要有大直径钻孔卸压、钻孔爆破卸压、煤层注水等〔4－7〕，结合微震监测、煤体应力监测、电磁辐射监测等手段对井下冲击危险区域进行监控，检验防冲措施的实施效果。

3.1 大直径钻孔卸压

图2 大直径钻孔卸压机理

大直径钻孔卸压是防治煤层冲击矿压的有效措施〔7〕，其基本原理见图2。在巷道周围的煤壁内施工大孔径钻孔，可以改变钻孔周边的煤岩体结构，煤体由弹性状态转为塑性状态直至失稳破坏，形成破碎区。由于钻孔施工后，巷道两帮煤体内的煤屑被带出来，造成该处煤体对上覆岩层的支撑能力减弱，在顶板围岩呈整体刚性的前提下，促使煤体支承应力峰值位置沿水平方向远离巷道的煤体深部转移，从而使巷道周边围岩处于相对的低应力区，大大降低了巷道的冲击危险性。

在409运输顺槽超前支护20m往外上帮布置大直径卸压钻孔，409回风顺槽超前支护20m往外上、下帮同时布置大直径卸压钻孔。409运输顺槽和回风顺槽各配备一台KHYD－155或ZQJ／300－6型煤矿用岩石电钻钻孔，配Φ130钻头。钻孔参数见表2。

表2 大直径卸压钻孔布置参数

3.2 爆破卸压

对于冲击地压防治的重点巷道及相关区域，通过采取卸压爆破的方法使巷道两帮（或底板）煤岩体中形成破碎带，卸除部分煤岩体的地应力，形成高应力区中的相对低应力降低区，增加能量释放、减小能量集聚，从而降低冲击矿压发生的可能性。针对中等危险区域（椭圆区域Ⅱ）开展底板卸压爆破，针对强危险区域（椭圆区域Ⅰ）开展煤帮卸压爆破工作。

3.2.1 煤壁卸压钻孔参数。强危险区域开展煤帮卸压爆破工作：409入风（回风）巷道以爆破卸压为主，以卸压钻为辅进行冲击矿压防治。煤壁卸压爆破钻孔参数见表3。

表3 煤壁卸压爆破钻孔布置参数

煤壁卸压爆破钻孔布置见图3。

图3 煤壁卸压钻孔布置示意

3.2.2 底板卸压爆破钻孔参数。中等危险区域开展底板卸压爆破：408入风巷道及边界道、409转载胶带巷道、－880m回风石门及411回风巷道200m范围采取底板爆破卸压。底板卸压爆破钻孔深度预设为5m，以进入底板岩石确定最佳终孔位置。底煤厚处可适当增加钻孔深度，钻孔深度小于2m的严禁装药。炮孔角度垂直于底板，孔径45mm，间距2m，封孔长度不低于1.5m，其余部分装药。底板卸压爆破钻孔参数见表4。

表4 底板卸压爆破钻孔布置参数

底板卸压爆破钻孔布置见图4。

3.3 煤层注水

研究表明，煤层注水可有效减弱甚至消除冲击地压危险〔6〕。煤层注水可以提高煤层含水率，从而改变煤岩物理、力学形态，使其受压变形形态及过程发生趋于塑性的变化，提高其发生失稳破坏的应力阈值，降低冲击地压发生概率。煤岩层的单向抗压强度随着其含水量的增加而降低〔8〕，其公式见式（1）。

式中：w0为强度最大时的含水量；a，b，c为系数。

图4 底板卸压钻孔布置示意

根据龙家堡矿实际情况，考虑钻孔排渣、钻进速度、注水方法、钻进塌孔、封孔等因素，钻孔直径取Φ75mm，钻孔深度40m，钻孔间距5m。

（1）钻孔布置。409运输顺槽上帮、回风顺槽下帮间隔5m打一组注水钻，每组一钻，连续推进。运输顺槽距底板1.5m、回风顺槽距底板1.2m起钻。

（2）注水方法。前期可注静压水至2.5MPa，之后接注水泵加压注水至8～12MPa，加压后注水时间可缩短1／2，注水湿润半径可达到10m。单孔注水量106.5m3，注水速率0.3m3／h。

（3）注水设备。采用ZDY1900S煤矿用液压坑道钻机钻注水孔，7BZ4.5／16型脉冲式煤层注水泵供压，专用煤层注水封孔泵封孔。

3.4 效果检验

冲击地压防治措施实施后，必须进行防冲效果检验，保证冲击指标降到安全范围内。以微震信号为例，采取综合防治措施之前，全矿区微震事件为28次／d，107J以上高能微震事件0.33次／d；采取综合防治措施之后，全矿区微震事件虽然达到62次／d，但107J以上高能事件降低到0.13次／d。总体上来说，微震事件频次增多而微震能量减小。2014年龙家堡矿全年未发生一起冲击地压事故。