孤島工作面回采期間沖擊危險性及防沖要求

李鵬飛,蔡誼軍,馮 鑫

(1.彬縣煤炭有限責任公司,陜西 咸陽 712000;2.陜西華彬煤業股份有限公司,陜西 咸陽 713500)

0 引言

下溝煤礦ZF303工作面回采期間主要受動、靜載荷影響,其所受的靜載主要來自于自重及采空區側向支承壓力,動載主要來自于采動過程覆巖空間結構運動產生的應力,且巷道留有厚底煤增加了發生沖擊地壓的可能性。綜上可知,高應力、回采期間擾動及留底煤等因素是影響ZF303工作面回采期間沖擊地壓災害的主要因素。

1 礦井及工作面基本概況

下溝煤礦位于彬長礦區東南部,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區,北與官牌井田相接,屬正常生產礦井,核定生產能力為270萬t/a。礦井為高瓦斯礦井,易自燃煤層,煤塵具有爆炸性,水文地質類型為中等,煤層及頂板具有弱沖擊傾向性。

礦井采用分區式通風,抽出式通風方法,主斜井、副斜井和行人斜井進風,上溝立井、水簾斜井回風。礦井裝備1個綜采工作面(ZF303工作面)和1個備用工作面(ZF2822工作面)。

ZF303工作面是下溝煤礦403采區布置的最后一套工作面,其井下具體位置：東為403采區3條上山巷道,西為下溝礦井田邊界保護煤柱,南為ZF302工作面采空區,北為ZF304工作面,工作面走向總長度為2 877 m,傾向長度為168 m。工作面標高在+581～+663 m之間,地面標高在+908～+1 025 m之間,工作面平均埋深約350 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施無明顯影響。ZF303工作面巷道布置為“一進一回”U型布置,ZF303工作面巷道平面布置如圖1所示。

圖1 ZF303工作面巷道平面布置Fig.1 Roadway plane layout of ZF303 working face

2 礦井沖擊地壓顯現及防治現狀

根據礦井提供現場記錄報告,下溝煤礦井下采掘活動未曾發生過沖擊地壓顯現。周邊大佛寺等煤礦在工作面回采以及大巷開拓過程中,采掘工作面出現過強烈的悶雷聲、煤塊彈射等沖擊地壓預兆,尤其開拓巷道掘進顯現劇烈且巷道掘進一段時間后底鼓變形嚴重。根據礦方提供的資料,下溝煤礦在實際生產過程中,未出現過沖擊地壓災害。

根據中國礦業大學出具的《下溝煤礦煤巖沖擊傾向性》鑒定報告,綜合評判下溝煤礦4號煤層的沖擊傾向性類別為II類,即為弱沖擊傾向性。

2.1 工作面沖擊地壓影響因素分析

沖擊地壓發生的影響因素可從多種角度進行歸類和選取,其結果也不盡相同。廣義上講,沖擊地壓的相關影響因素包括：導致沖擊危險性增高的因素,一般指天然形成的、難以改變的地質因素,以及因人類活動形成的開采技術因素;導致沖擊危險性下降的因素,一般指人為的、旨在降低沖擊危險性的防治措施;導致沖擊發生之后危害性產生變化的因素,一般指針對沖擊地壓災害的人員、物料、設備等方面的安全管理措施[1-3]。

在進行沖擊地壓研究時,導致沖擊地壓危險性增高的因素是首要關注的問題,確定該類因素的組成和作用機制后,才能論證解危工作和安全管理工作的必要性和具體方法。因此,在論述沖擊地壓發生的主要影響因素時,一般指引起沖擊危險性增高的因素。

2.2 工作面沖擊地壓開采技術影響因素

2.2.1 區段煤柱

根據礦井其他工作面側向煤層垂直應力分布的數值模擬,表面煤柱垂直應力分布變化劇烈,先后呈現出“內外同高→內高外低→內低外高”的演化規律,即回采前煤柱兩側均僅受巷道影響,兩側支承壓力為巷道側向支承壓力,影響程度相當。采空區形成初期,頂板彎曲下沉,煤柱內側(采空區側)受壓程度最大,應力水平迅速增大,直至超過其強度極限后開始屈服破壞,應力迅速下降。隨著頂板下沉量的加大,煤柱外側垂直應力不斷增長,最終超過了煤柱內側應力值。

可見,側向工作面回采后,30 m寬煤柱承載較大疊加載荷,臨空留巷煤柱側壓力明顯大于回采側,相應的煤柱側沖擊地壓風險也就高于回采側。在回采期間,需要加強對煤柱內的應力變化的監測,為確定回采工作面區段煤柱的合理尺寸提供依據[4]。需特殊強調的是,煤柱內開挖了大量硐室和聯絡巷,加劇了應力集中程度。

下溝煤礦ZF303工作面在掘進期間部分區域留有30～80 m區段煤柱,造成巷道沖擊危險性的增加。ZF303工作面回風順槽與ZF302工作面采空區留有30 m區段煤柱;ZF303工作面運輸順槽自切眼至917 m處為實體煤巷道,17～1 397 m運輸順槽與ZF304采空區留有30～80 m不等寬煤柱,1 397～1 897 m運輸順槽與ZF304采空區留有30 m寬區段煤柱,而后為實體煤巷道。

2.2.2 底煤厚度

沖擊地壓理論及實踐表明,沖擊地壓發生時,一般均伴有嚴重底鼓,且較厚底煤的留設對沖擊地壓的發生往往起到促進作用。對于巷道圍巖而言,頂板和巷幫一般進行支護,而底板一般無支護,從而導致底板成為巷道最為薄弱的區域。當沖擊載荷作用至巷道圍巖時,能量也將從最薄弱的環節突破,該過程必然伴隨底板的緩慢底鼓或沖擊破壞。

巷道底板可分為3種情況：巖石底板、薄底煤(小于2 m)、厚底煤(大于2 m),其中前兩者最為多見,厚底煤一般存在厚及特厚煤層開采工作面。底板巖性對沖擊地壓發生的影響主要取決于底板的強度和載荷水平。巖石底板本身強度較高,承載能力大,對沖擊載荷的抵抗效果明顯。留有較薄底煤時,底煤在巷道掘進后將發生漸進式變形破壞,承載力顯著降低,下部巖石底板仍將是承載的主體[5]。而底煤較厚時,煤體必然成為承載主體,在沖擊載荷作用下更易發生破壞,尤其具有沖擊傾向性的底煤本身具備積聚彈性能并發生沖擊破壞的特性。

下溝煤礦ZF303工作面在掘進期間留有2～3 m厚底煤,厚底煤造成了巷道回采期間沖擊危險性的增加。

2.2.3 鄰近采空區影響

工作面開采后,使回采工作面周邊的煤體形成應力集中,如果工作面形成側向懸頂,使側向支承壓力集中程度高,將對下一工作面采掘期間的沖擊地壓危險性有顯著的影響,主要是由于采空區形成的側向支承壓力與下一工作面采掘形成的采動應力相疊加,煤體應力集中程度加劇,增大了工作面的沖擊地壓危險。研究及實踐結果表明,工作面沖擊地壓危險受相鄰采空區影響明顯,采空區上方巖層形成的空間結構,不僅對煤體應力分布有直接作用,而且在下一工作面回采時,巖層空間結構的再次平衡過程可能以動載形式作用到煤體,加劇煤體應力集中,沖擊危險性升高。

ZF303工作面兩側采空,采空區巖層側向懸頂導致煤柱巷道部分區域產生應力集中,增加工作面開采期間的沖擊危險性。

ZF303工作面回采期間主要受動、靜載荷影響,其所受的靜載主要來自于自重及采空區側向支承壓力,動載主要來自于采動過程覆巖空間結構運動產生的應力,而巷道留有厚底煤增加了發生沖擊地壓的可能性[6]。因此,高應力、回采期間擾動及留底煤等因素是影響ZF303工作面回采期間沖擊地壓災害的主要因素。

2.3 煤巖結構與動力災害(沖擊地壓和礦震)關系評價

以ZF303工作面附近的綜合地質柱狀圖為依據,4號煤層覆巖中存在7處單層厚度超過10 m的巖層,細砂巖(17.87 m)、粗粒砂巖(11.56 m)、泥質砂巖(12.04 m)、砂質泥巖(19.72 m)、砂質泥巖(26.43 m)、中礫巖(46.68 m)、中粒砂巖(13.52 m)。煤層頂板中存在能夠誘發沖擊危險的關鍵巖層。

2.3.1 礦震

ZF303工作面頂板巖層最厚處為46.68 m的中礫巖,此巖層為臨近表土層,根據礦井地表沉陷觀測,ZF303工作面相鄰采空區地表沉陷較大,表明該巖層已經發生斷裂,沒有形成大面積懸頂。根據該巖層厚度以及斷裂情況,ZF303工作面回采過程中不存在由46.68 m厚中礫巖斷裂誘發礦震的條件,煤層上方其他巖層組厚度和強度均難以形成大面積懸頂。綜上,ZF303工作面不存在巨厚堅硬礫巖層斷裂誘發礦震的條件。

2.3.2 沖擊地壓

4號煤層上方細砂巖老頂(17.87 m)周期性的斷裂,高位巖層的中礫巖(46.68 m)、中粒砂巖(13.52 m)覆巖運動對工作面開采期間的沖擊地壓影響較大,頂板隨著工作面的回采周期性的破斷或滑移,在頂板破斷過程中可能會造成應力集中,誘發沖擊地壓。

2.3.3 聯巷區域沖擊危險性分析

ZF303工作面運輸順槽、回風順槽存在與ZF304工作面運輸順槽、回風順槽巷道交叉區域,該區域巷道密集且形成三角煤柱,在工作面采動應力、采空區應力及煤柱應力等影響下造成應力升高,從而使得該區域的沖擊危險性增加。

2.3.4 區段煤柱沖擊危險性分析

ZF303工作面南側臨近ZF302采空區,區段煤柱為30 m。ZF303工作面北側部分區域為實體煤;部分區域為ZF304采空區,其區段煤柱存在變化,從30～80 m不等。

根據工程類比,在類似ZF303工作面開采條件下,30 m及以上區段煤柱會儲存一定的彈性能,在工作面采動過程中當煤柱應力達到沖擊地壓發生的臨界值時,可能會誘發沖擊。ZF303工作面區段煤柱沖擊危險性較高,在工作面生產過程中應對區段煤柱加強觀測和采取必要的防沖措施,以降低區段煤柱發生沖擊地壓的危險性[7]。

2.3.5 停采線位置影響分析

從防沖的角度,停采線位置設計必須考慮以下因素：①避免對盤區大巷形成明顯影響,增大其沖擊危險;②避免設計在應力集中區,尤其是設計在斷層等構造附近;③避免超過盤區大巷保護煤柱;④避免對后續工作面形成影響,盡可能與相鄰工作面停采線對齊。

ZF303工作面停采線外分布多條巷道,其中距停采線最近的為ZF303回順斜巷,距停采線的距離為40～180 m不等;其次為支架措施巷,距停采線的距離為130～180 m不等;1號聯絡巷距停采線距離210 m;403軌道上山距停采線距離約為290 m。

3 工作面回采期間沖擊地壓區域防范措施

區域防范措施的基本原理就是在設計階段,通過優化設計降低工作面在采掘過程中的應力集中程度。針對下溝煤礦ZF303孤島工作面的開采和地質條件,目前采取的區域防范措施主要包括：合理采煤方法、加強頂板控制、確定合理的開采程序、合理支護方式等。

3.1 采煤方法

根據國內其他礦井的大量工程實踐表明,沖擊地壓的發生因采煤方法的不同而存在差異,對于具有沖擊危險性的厚煤層,當采用分層開采時,常常因開采頂分層時的應力過于集中而導致沖擊地壓的發生,甚至造成人員傷亡和設備的損壞。

ZF303工作面采用走向長臂綜合機械化放頂煤工藝,工作面均采用采煤機落煤,采煤機滾筒配合刮板運輸機裝煤,刮板運輸機運煤,液壓支架維護工作面頂板,全部垮落法處理采空區。其開采方法對于沖擊地壓的防治是有利的。

對多個礦井的沖擊地壓事故分析,在留有底煤的采場,沖擊地壓發生時,以底鼓和煤巖壓入采場空間為主要顯現特征。其發生機理就是在礦山采動或采掘面擾動下誘發底板煤巖層變形能的瞬時釋放,表現為底板煤巖層突然向上突出,引起采掘空間圍巖、設備破壞的沖擊地壓災害。因此在采取綜采采煤工藝時,盡量不留設底煤,當底煤留設無法避免時,應根據實際情況對底煤進行卸壓處理。

3.2 生產能力

根據礦井的生產技術條件、煤炭資源儲量,結合礦區總體規劃和相關批準文件,礦井核定產量270萬t/a。礦井生產能力是礦井同時生產的采煤工作面和掘進工作面產量的綜合,與沖擊地壓方面產生影響主要在于礦井采掘工作面之間的擾動影響、單工作面的采動影響等,主要從采掘距離與推進度方面反映。因此礦井嚴格按《煤礦安全規程》規定要求,即避免采掘擾動,又保障合理產能。確定合理的推進速度,是在保障礦井合理產能基礎上,防范沖擊地壓發生的有效措施。雖然目前還沒有相關技術規范或標準對沖擊地壓煤層開采的工作面推進或巷道掘進速度做出規定,但根據大量現場情況和理論分析,過快或波動較大的采掘速度均不利于煤巖體能量的均勻釋放。

根據礦井及相鄰礦井相關經驗,當工作面采用慢速且勻速推進時,工作面的頂板能量能夠均勻釋放,同時大能量事件也明顯減少,能夠有效的降低沖擊危險[8]。因此,對于ZF303工作面具體回采速度應根據工作面的地質和開采技術條件,并參考各監測手段取得的數據進行統計分析,以確定出合理的推進度,并保持采掘工作面的勻速推進,避免忽快忽慢。

目前,工作面尚未開采且未有相應的監測數據,故參考相鄰礦井孤島工作面的開采速度,建議該工作面弱沖擊危險區域日進尺為4 m,中等沖擊危險區域日進尺為3.2 m,在推采到特殊區域時根據監測數據及時調整推進速度。

3.3 支護形式

通過對ZF303工作面沖擊地壓發生影響因素分析,自重及采空區側向支承壓力是工作面集中靜載的主要來源,工作面移架不及時且支架初撐力不夠都將使集中靜載轉移到工作面前方煤體上,導致煤體應力集中,增加了工作面發生沖擊地壓的危險[9-10]。因此在采區工作面推進中,應當加強對工作面支護質量的管理,提高初撐力,保障支架良好的工作狀態。

4 結語

孤島工作面在實際回采過程中,隨著地質和開采條件變化,沖擊地壓危險區域及等級也是動態變化的,需進行采掘過程的實時監測預警,確定采掘期間的沖擊地壓危險性。沖擊危險性、監測設備及現場地質開采條件在防治過程中應通過實踐進行優化調整,并加強解危效果檢驗、現場監管,任何環節管理不到位都可能導致沖擊地壓的發生。