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    尚海,徐世波,刘勇

    摘  要 大兴煤矿受采掘布置的限制,回采南二903工作面时,形成孤岛工作面,受临近采空区的影响,应力集中程度很高,且地质条件复杂,具有断层,厚硬顶板,火成岩等多种地质构造,极易诱发冲击地压。通过对大兴煤矿矿震活动分析,采取了有效的卸压解危措施,以降低地应力为主线并结合强支护、强监测、强限员进行了防冲工作实践。

    关键词:地质构造 冲击地压 防治体系

    1 引言

    大兴煤矿于2018年6月确定为冲击地压矿井,在防治冲击地压方面处于起步阶段,大兴煤矿南二903工作面于2019年2月份开始回采,在回采过程逐步确定和摸索出了该工作面开采过程中的监测预警方案,卸压解危、安全防护以及加强巷道支护等一系列防治措施,保证了工作面的安全回采,总结出了大兴煤矿冲击地压防治的宝贵经验,也查找出了冲击地压防治方面的不足,为后续工作面的安全开采提供借鉴。

    2 南二903工作面概况

    工作面位于大兴煤矿9号煤层南二采区中部,东邻902采空区,西邻905采空区,之间煤柱均为8米;南部为未采动区;北部为采区煤柱,因而形成了孤岛工作面,该面上邻7-2煤层,北部未采动,南部为南五717、南五719上采空区。工作面大面走向长580m,倾斜宽178m;收缩面走向长302m,倾斜宽95m,工作面面积126933m2,903工作面位置如图1所示。

    图1  南二903工作面布置图

    3冲击危险防治技术方案

    3.1冲击地压综合防治体系

    通过两年2018~2019年防冲工作的实践与摸索,大兴煤矿确立了防冲 “15336”工作体系( 1策:一面一策一评价、5有:防冲工程实施做到有设计,有措施,有施工负责人,有验收人,有工程标识、3强:强卸压,强支护,强监测、3限:限时、限员、限强度、6跟踪:防冲隐患治理做到排查跟踪,记录跟踪,处罚跟踪,整改跟踪,验收跟踪,通报跟踪),确保防冲工作能够扎实推进。

    3.2冲击地压综合防治思路

     

    图2  903工作面冲击地压综合防治思路

     

    3.3 工作面冲击危险性监测方法

    采用钻屑法、YDD16煤岩动力灾害声电检测仪检测、KJ24顶板动态无线监测系统进行局部冲击危险性预测,采取SOS微震监测系统对工作面进行区域监测预警。

    3.2.1 钻屑法检测

    工作面前方90m以内巷道实体煤侧施工取屑钻孔。钻孔直径42mm,开孔高度为距离底板0.5-1.5m,孔深10m;巷道帮部间距15m,对于划分的中等及以上危险区域每2天实施一次,对弱危险区域每3天实施一次;钻孔方向与煤壁垂直,平行于煤层。对每米钻屑量进行称重并观察打钻过程中是否发生动力现象,钻屑临界值为4.5kg/m,每米钻屑值达到或超过4.5kg/m认定有冲击危险,必须停止作业采取卸压解危措施。布置方案如图2所示。南二903工作面全年进行取屑检测92次,均无超过临界指标的情况。

    图3  工作面钻屑法检测孔布置示意图

    3.3.2  YDD16煤岩动力灾害声电检测仪

    该仪器利用电磁辐射和声发射数值的变化,判定工作面的冲击危险性,首先经过1个月的数据采集确定南二903工作面的临界指标,电磁辐射临界指标为54.5mv,声发射临界值指标为423.2mv。在两顺进行指标测试,距工作面10米开始在工作面软帮沿走向方向布置12个测点,测点间距10m,两顺各12个点。作为钻屑法的辅助预测,确定工作面冲击危险性的变化趋势。

    3.3.3  KJ24顶板动态无线监测系统局部监测

    系统于2019年2月份正式在南二903工作面投入使用,该系统用于监测工作面支架支撑压力、工作面前方锚杆、锚索的受力情况、顶板离层情况以及前方煤体的应力变化,做为判定工作面危险性作为主要依据。

    3.3.4 SOS微震系统区域监测

    SOS微震监测系统于2018年6月份在南二903工作面投入使用,工作面采用微震监测法进行区域监测,对微震信号进行实时、动态监测,并确定微震发生的最新版本万博app全站、能量及三维空间坐标等参数。通过对微震发生的最新版本万博app全站、能量、震源深度、定位位置、微震频次的记录做以分析、比对,分析判断发生冲击地压的可能性。

    自南二903工作面开始回采至采终共监测到1427次微震事件,最大能量为3.03E+06J,总能量为6.06E+06J.其中能量小于103J的780次,(注:达到100J的 4次,达到101J的 113次,达到102J 的663次),能量达到103J的 622 次,能量达到104J的 24次,能量达到106J的 1 次。从整体震源分布来看,震源集中在超前工作面200m的巷道和采空区,发生在超前工作面的巷道一方面是由于受采动影响,另一方面是受到工作面“见方”影响,针对这类微震事件,主要采取施工卸压爆破钻孔进行爆破卸压,采取钻屑法进行验证其措施的有效性,对于发生在采空区的微震事件,主要是由于采空区顶板跨落造成的能量释放,针对此类情况,主要采取加密预测,保证各项指标均在临界值以下,方可继续回采。

    3.4 局部卸压与降低应力集中研究

    大兴煤矿903孤岛工作面受动力现象影响较为严重,因此采取多种卸压措施综合防治。

    3.4.1 巷道帮部大直径钻孔卸压

    南二903工作面静载应力水平较高,易出现强动力显现现象,因此两巷的大直径钻孔在强冲击危险区域应当加密布置,钻孔直径114mm,孔间距为2m,钻孔深度20 m,平行煤层方向,直线布置,与原卸压孔交错布置。 运、回顺在工作面安装前共计施工大直径卸压钻孔226个,共计施工4520m。卸压钻孔施工如图4所示:

    图4  南二903工作面防冲工程图

    3.4.2煤体爆破卸压

    在工作面“见方”前后、三角煤柱区域、断层附近、工作面缩面期间、应力集中区域施工卸压爆破钻孔,孔径Ф42mm,孔间距5m,孔深10m,单孔装药量为3.0Kg,用黄泥进行封孔,封孔长度5m。工作面两顺共计施工爆破卸压钻孔135个,其中运顺施工爆破卸压钻孔图4所示。

    图5 工作面巷道两帮卸压爆破钻孔布置图

    3.4.3 工作面顶板深孔预裂

    南二903工作面每回采30-35m,正好处于来压周期压范围内,在工作面支架间顶板施工顶板预裂钻孔,运顺施工位置开始在工作面距离运顺三角点距离10m处,回顺施工位置开始在工作面距离回顺三角点距离10m处。钻孔深度12m,钻孔施工角度与煤层层面夹角为70�,垂直方向投影不小于11.2m。钻孔布置如图5所示。根据工作面推进情况,大约每周施工一次,保证了工作面采空区顶板的顺利冒落,减少了大能量微震事件的发生。从2019年5月开始共计施工顶板预裂钻孔23次,钻孔276个总计3312m。

       

    图6 工作面顶板预裂钻孔布置图

    3.4.4 煤体高压注水

    煤体注水不但能提高其本身的塑性,还降低存储弹性能量的能力,因此采取此方法降低发生冲击地压的危险。

    南二采区9煤层煤体较硬,在完成浸水性试验后,根据煤体的坚固性系数确定每个钻孔超前工作面的注水最新版本万博app全站和停止最新版本万博app全站,保证有效性(如表1所示),根据大兴煤矿防突实验室测定的9煤层坚固性系数f值为1.3-1.61,从而确定了每个钻孔开始注水最新版本万博app全站为距离工作面40m时,停止注水最新版本万博app全站为钻孔距离工作面10m时。

    表 1 合理注水区域选择参考表

     

    注水起止位置

    软媒f≤1

    中硬煤(1≤f≤2.5)

    硬煤(f≥2.5)

    开始注水超前工作面/m

    40~60

    30~50

    20~35

    停止注水超前工作面/m

    10~20

    8~15

    3~10

     

     

    煤体注水软化布置:

    (1)在运顺采煤帮侧施工注水孔,增加煤体塑性。

    (2)从开采前切眼开始,开采后超前工作面200m以内在运顺上帮煤体内布置注水孔,参数为:孔距12m,孔径Φ114mm,孔深30、50、90m,钻孔与运顺煤壁垂直,沿煤层倾向布置,使用ZDY3200L进行施工。“两堵一注”带压封孔器封孔,封孔长度不小于10m。

    (3)使用高压注水泵注水,注水压力不小于12Mpa,当注水压力降至4Mpa以下时或煤体出现渗水后改为静压注水,以保证煤体含水量增量大于2%。

    南二903运顺共计施工高压注水钻孔62个,总注水量为5613m�。

    4 强支护、强限员措施、限制回采速度

    4.1 强支护方式

    增加南二903工作面超前支护段长度,由原来的25m增加至超前200m布置替棚支架,南二903回顺安设替棚支架27架,超前支护长度为205米,南二903运顺安设替棚支架25架,超前支护长度为207米。保障了超前支护段人员的作业安全。

    4.2 强限员措施

    工作面运、回顺口设置防冲管理站、管理站备有防护服、防冲头盔,人员进入时必须穿戴好防护装备。防冲管理站由生产单位安排专人发放冲击危险区域准入卡片,凭证进入。工作面生产期间,两顺超前工作面200m范围内严禁人员进入,通过、作业,其它作业地点合计限员16人,工作面检修期间限员40人。

    4.3 限制回采速度

    903工作面严格控制推进速度,减少由于开采强度大而造成微震事件的集中,降低开采强度,规定每天推进4刀,并保证匀速推进,白班不生产,四点班、零点班各采2刀,并根据微震数据变化情况及时调整刀数。

    5 结论

    (1)通过冲击地压强度弱化减冲原理,实施煤层高压注水、大直径钻孔卸压、煤体爆破和顶板预裂等预防和解危技术的实施,将南二903工作面冲击地压危险性降低减弱,保证了工作面的安全回采。

    (2)在严格执行各项防冲措施的同时,必须保证强限员、强支护落实到位,真正意义上做到“有震无灾、有冲无伤、可防可控”。

    (3)在采区设计和进行采掘布局时,还是应该尽量避免孤岛开采,并保证采止线对齐,减少人为因素增加工作面的开采风险和开采难度。

     

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