綜放工作面沖擊地壓預警防治技術研究與應用

周剛

（陜西火石咀煤礦有限責任公司，陜西 咸陽 713599）

隨著我國煤礦開采強度的增大和開采年限的增加，許多礦井轉入深部開采，沖擊地壓逐漸成為影響煤礦安全生產的主要因素[1-4]。從1985 年—2019年，我國沖擊地壓礦井由32 個增加至185 個，發生頻率和強度均有明顯增長。因此，對于受沖擊地壓威脅的礦井，建立一套有效的防沖預警和控制系統，對實現煤礦的安全生產具有重要意義[5-7]。

1 概 況

陜西火石咀煤礦8704 工作面位于七采區，工作面北側為8706 采空區，南側為8702 待掘工作面，東側為礦井3 條集中大巷，西側為薄煤層邊界。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。煤層普氏系數為1.5 ~3.5，中間硬度較大，頂底板附近硬度較小，煤層傾角為0~5.4°，為近水平煤層。工作面附近210地質鉆孔的柱狀圖如圖1 所示。

圖1 210 地質鉆孔柱狀圖Fig.1 Columnar of No.210 Borehole

8704 工作面開切眼長度為200 m，設計推進距離1 644 m，工作面標高421.6—487.7 m，地面標高977.4—1 082 m。工作面采用走向長壁支撐掩護式低位放頂煤支架支護，綜采放頂煤采煤，SSJ1200/4×315 kW 可伸縮皮帶運煤。機采高度3 m，放頂煤高度0 ~ 3.5 m，采煤機截深800 mm，放頂煤步距800 mm，一刀一放，多循環作業。

2 沖擊地壓監測預警設計

2.1 沖擊地壓影響因素

根據8704 工作面的地質條件和生產條件，結合沖擊啟動理論分析，工作面回采期間沖擊發生的主要影響因素有2 點。

（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，區域靜載壓力大，如果超過了煤體的極限強度，則有可能誘發沖擊地壓。

（2） 煤巖物理力學性質。根據沖擊傾向性鑒定結果，該礦7 采區4-2煤具有一定的沖擊傾向性，頂底板均有弱沖擊傾向性。該類煤巖體受高壓影響，在極小擾動下都有發生沖擊地壓的可能。

2.2 沖擊等級評價

通過綜合指數法確定8704 工作面的沖擊危險性評估指數為0.29。該工作面在回采過程中有弱沖擊危險性，危險區域劃分為I 類，回采期間整個工作面為弱沖擊危險區域。

3 沖擊地壓監測預警方案

3.1 分級預警防治方案

沖擊地壓的監測與預警是防沖工作的前提與基礎，對于盡早發現潛在的沖擊區域、及時采取有效措施具有重要的意義。對于掘進巷道和工作面回采主要的監測手段有2 種：地應力測量、鉆屑法等巖石力學方法；微震、應力監測等地球物理方法[8-9]。不同的監測方法分別監測沖擊地壓的不同影響因素，形成了圖2 的分級監測預警方案。

圖2 沖擊地壓分級監測預警方案Fig.2 Grading monitoring and early warning scheme of rockburst

3.2 動載監測方案

《防治煤礦沖擊地壓細則》明確規定，采用微震技術監測沖擊地壓時，監測系統的布置應當覆蓋整個采掘區域。采用KJ551 微震系統對全礦沖擊地壓工作面進行無間斷實時在線監測。在8704 工作面兩順槽布置微震監測系統。運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。當工作面推至檢波器后方80 m 時，外移檢波器，保證工作面前方150 m 處于監測范圍中。

3.3 靜載監測方案

根據沖擊地壓防治細則的規定，可采用鉆屑法對局部沖擊地壓區域進行監測。在煤層中施工鉆孔，利用鉆屑法進行局部監測。鉆孔直徑為42 mm，孔深為10 m。根據8704 工作面沖擊傾向性評價結果，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，3 d 進行一次，每次鉆孔數量不少于3 個。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 應力監測

沖擊地壓的發生是煤層靜載和工作面動載共同作用的結果。因此在開采具有沖擊地壓傾向的煤層時，還需對工作面的超前支承壓力等進行觀測。應力監測主要是對巷道及工作面前方的應力分布及大小、峰值和支承壓力變化情況等進行記錄。

在兩巷內超前工作面20 m 開始，間距25 m 開始布置應力觀測站，每個測站布置2 個測點，鉆孔的深度分別為8 m 和14 m，孔間距為1.0 m。測點布置在工作面前方300 m 范圍內，當進入工作面前方10~15 m 時，依次前移傳感器，確保超前支承壓力始終在監測區域內。具體布置方案如圖4 所示。

圖4 工作面應力傳感器布置示意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一般用于掘進頭和工作面煤幫中，是一種預防性防沖技術[10-12]。通過施工大直徑的卸壓鉆孔，釋放淺部應力，并促使圍巖集中應力向深部轉移。

一般工作面前方超前支承壓力影響區是沖擊地壓發生較多的區域，是防控的重點。因此，在該范圍內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

煤層的單軸抗壓強度隨含水量的增加而降低，通過高壓及靜壓注水，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 范圍內進行注水，注水孔的深度為150 ~200 m，封孔長度為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，當壓力低于5 MPa時，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，如果通過微震監測系統、在線應力系統以及鉆屑法等監測到沖擊地壓危險區域，而以上防突措施效果不理想時，可以進一步采用爆破卸壓的方式。在鉆屑法測量的過程中發生吸鉆、頂鉆等現象時，在該孔以及前后各5 m 范圍內進行爆破，直到無動力現象為止。正常情況下，在危險區域前后各15 m 范圍內爆破，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，封孔長度不小于三分之一。爆破順序應當從工作面向停采線依次進行，使得高應力遠離工作面，保證回采安全。

5 結 論

（1） 根據沖擊傾向性鑒定結果，4-2 煤層頂底板均有弱沖擊傾向性。8704 工作面的沖擊危險性評估指數為0.29，為I 類危險區域。

（2） 大直徑鉆孔可以促進裂隙的發育，釋放淺部應力，并促使圍巖集中應力向深部轉移，從而達到卸壓的目的，是一種預防性防沖技術。

（3） 通過采用微震監測、在線應力監測以及鉆孔卸壓、煤層注水等，形成了沖擊地壓分級監測、解?？刂企w系，取得了較好的防沖效果。