特厚煤层综放工作面冲击地压综合防治技术研究

李孝波 王联合

摘 要：为解决特厚煤层综放工作面冲击地压问题，以某矿2101综放工作面为研究对象，从引发冲击地压的原因入手，通过分析可知综放工作面冲击地压主要影响因素为开采深度、煤柱宽度、地质构造等，结合影响因素采取加强支护、回采过程中预测预报、及时卸压解危、安全防护等措施，有效防止了矿井冲击地压事故的发生。

关键词：特厚煤层；预测预报；冲击地压；综合防治

1 引言

随着我国煤矿开采深度和強度逐年增加，许多矿井相继进入深部开采阶段，矿震、冲击矿压等重大灾害相继出现，是深部矿井实现绿色开采亟待解决的难题。特别是大采高综放工作面大规模、高强度的开采扰动，不仅导致垮落带覆岩剧烈运动，并且周围采空区中已经存在的空间平衡结构也将进一步失稳，而未断裂的岩层会与工作面协同破断运动，从而诱发冲击矿压等煤岩动力灾害。文章从引发冲击地压的原因入手，对该矿2101综放工作面开采过程中覆岩破断失稳引起的冲击矿压进行三维实时监测，为冲击地压解危方案的制定、实施提供有效依据，并结合现场实践，形成适合该矿特色的冲击地压综合防治技术。

2 工作面概况

2101综放工作面主采为2号煤层，赋存稳定，厚度15～26.5m，平均厚度24m；采用综合放顶煤开采，其中上分层平均可采厚度13.5m。煤层埋深+613.8～+690.6m，倾角3°～5°，平均倾角为3°。总体趋势从工作面南侧向北侧煤层底板逐步降低，其中最低处为A3向斜轴部附近，最高处为切眼附近。工作面顺槽1079～1119m段有一古河床冲刷带，并在工作面中分流冲刷，延伸至整个工作面，最大垂直沉积5～7m。

由于矿井接续紧张，在2101综放工作面东侧布置2102接续工作面， 工作面布置如图1所示。

3 冲击地压发生因素分析

随着开采深度的不断增加，冲击地压的频度和强度以及破坏程度也将逐渐增大。2101工作面开采深度达640m，根据国内矿井发生冲击地压的初始采深统计数据，各采掘工作面均已具备发生冲击地压的埋深条件，其主要影响因素如下。

3.1 煤层冲击倾向性及顶板条件

煤层冲击倾向性对强矿压的发生具有显著影响，是强矿压发生的内在本质影响因素，经检测2#煤属于Ⅲ类强冲击倾向性的煤层，2#煤顶板岩层弯曲能量指数为19.75kJ，属Ⅱ类具有弱冲击倾向性的顶板岩层。且该矿2#煤层上方有约28m中粒砂岩、32m砾砂岩等坚硬岩层。该砂岩顶板容易聚积大量的弹性能，在破碎或滑移过程中，可能会突然释放大量的弹性能，形成强烈震动，也容易导致顶板型强矿压的发生。

3.2 巷道优化布置

煤柱是产生应力集中的地点，孤岛形和半岛形煤柱可能受几个方向集中应力的叠加作用，使得煤柱附近煤体应力集中程度大，因而在煤柱附近最易发生冲击地压。区段煤柱留设尺寸，影响煤柱及巷道应力分布，大煤柱留设容易造成煤柱及巷道侧应力集中，巷道底臌、两帮移近等变形明显。留小煤柱易造成采空区贯通，不利于水、火有毒气体的隔离。据统计，大约60%的强矿压是由于邻近煤层采空区中遗留煤柱或本层遗留煤柱引起的。2101及邻近工作面采用双巷布置，煤柱宽度20m。如图2可以看出，煤柱应力很高，易引发冲击地压。

在巷道转弯、交叉位置容易形成应力集中，产生大量震动，是容易发生冲击矿压事故的区域。由于地质条件的复杂性或生产接替需要导致2101和2102工作面布局不合理，巷道交叉多，造成采掘空间局部应力集中，显著增加了冲击矿压发生的可能性。

3.3 地质构造

2101综放工作面地质构造主要为A3向斜以及A1向斜，在这些地质构造区附近，由于存在着地质构造应力场，工作面经过A3向斜、A1向斜及古河床冲刷带时在拉伸、挤压应力的作用下会造成应力集中，在采掘活动的诱发下可能释放能量而产生冲击地压。

该矿的地应力主要为水平应力，最大水平主应力在18.04～33.87MPa之间，属于高及超高应力区。最大水平主应力与最小水平主应力的比值介于2.05～2.53之间，在量值上相差较大，这使得水平应力对巷道顶、底板的影响表现出较明显的方向性。测点最大水平主应力方位角集中在239～255°之间，与该矿多数工作面顺槽轴向夹角均大于59°，与多数大巷轴向夹角均小于31°，因此水平主应力对工作面顺槽的顶、底板影响较大。

4 冲击地压综合防治技术

4.1 加强支护

工作面运输巷正头采用一组端头支架及3架过渡架支护，回风巷端头采用3架过渡支架支护。超前支护段延伸至距煤壁不小于150m，采用单体配合铰接梁进行支护，必要时采取架设U29棚或工字钢棚等特殊措施。

4.2 预测预报

4.2.2 微震及地音监测

采用ARAMIS微震监测系统（图3）、ARES-5/S地音监测系统（图4）对工作面回采过程过覆岩结构形态变化及失稳情况进行实时监测，为工作面危险区域确定、冲击预测提供可靠的依据。

4.2.2 KJ216矿压监测系统

采用由顶板在线监测、工作面支架压力监测、煤岩应力在线监测、锚杆（索）应力在线监测形成的KJ216矿压监测系统对工作面回采过程中顶板来压、煤岩应力集中及超前支护段锚杆（索）受力情况进行实时监测，结合微震及地音监测系统确定详细的冲击危险时空位置，为卸压解危措施制定、实施提供有效的方案。

4.2.3 钻屑监测

钻屑法是通过在煤层中利用液压钻机打直径Φ42mm的钻孔，根据排出的煤粉量及其变化规律和有关动力效应、鉴别强矿压危险的一种方法。经微震地音监测和KJ216矿压在线监测系统确定的冲击危险区域，必须进行钻屑检测。判别工作地点强矿压危险性的钻粉率指标如表1，当测定的煤粉超过临界煤粉量，或者打钻过程中出现卡钻、 吸钻等异常现象时，则表明该地点具有冲击危险性，必须立即进行解危处理。

4.3 强矿压危险解危方法

针对2101工作面强矿压的特点，强矿压防治工作应贯穿整个工作面的准备至回采阶段。工作面回采前，可以采取在工作面两侧和底板施工大直径卸压钻孔的措施降低强矿压危险。工作面回采阶段，强矿压防治则可以采取边回采边监测边治理的动态解危方法。回采过程中，除了超前工作面施工大直径卸压钻孔外，对厚硬难冒顶板采取顶板深孔爆破措施致裂顶板，防止顶板突然断裂造成冲击。根据微震、地音和钻屑法的监测结果确认已处于临界危险状态，应停止工作面回采并加密帮部及底板大孔径卸压钻孔，直至钻屑检测值小于临界值或在钻进过程中无动力现象为止。

4.3.1 帮部大直径钻孔卸压

根据矿压特点，2101工作面前方150m范围左右为应力峰值区域，该区域是强矿压多发区域，是防治工作的重点，因此需超前工作面 150m对两顺槽煤壁施工大直径钻孔卸压，使煤体深部具有较大面积的自由面，在保证巷道围岩稳定性的同时能最大限度的卸压。钻孔方向与顺槽煤帮垂直，孔径Φ113mm，孔间距为1.4～2.8m，封孔长度3m，孔深13～20m，孔距底板1m左右。

4.3.2 底板大孔径卸压

超前工作面150m对工作面两顺底板进行大直径钻孔卸压。钻孔方向与回采方向一致，俯角60°，孔径Φ113mm，孔间距1.4m，封孔长度3m，钻孔长度10m左右，确保底板上方留设1m厚的煤层。

4.3.3 顶板深孔爆破

根据该矿强矿压区域划分，在2101工作面回风巷侧有强冲击危险性，应该进行顶板深孔爆破致裂顶板。顶板爆破范围为工作面超前200m，深孔采用矿用风动钻机及配套钻杆施工，钻孔直径65mm，沿工作面推进方向顶板每10m布置一个钻孔，沿巷道方向的钻孔布置在距煤壁侧约1.5m的顶板上，炮眼深度45m，单排布置，与水平方向成75°夹角朝向老顶方向。

4.4 安全防护

4.4.1 系统防护

（1）严格做好回风巷把口工作，生产期间，严禁任何人员进入回风巷。（2）回风巷超前400m范围内除必要的作业人员外，无关人员禁止逗留，不得存放闲置物料，必须存放的物料和设备必须按要求进行捆绑。（3）运输巷、回风巷保持压风管路正常供风，每50m安设一组压风自救装置。（4）工作面生产实行远距离供电、供液，移变列车必须安放运输巷400m以外，并进行巷道软包。

4.4.2 个体防护

（1）进入2101工作面的所有作业人员必须穿戴防冲背心和防冲头盔，严禁摘掉防冲帽，必须穿齐个人防护用品。（2）定期对全员进行防冲基础知识、专项防冲安全措施学习和培训，经考试合格后方可上岗作业。

5 结束语

按照“预测预报、逢掘必卸、不卸不掘、强卸强支”的十六字方针，通过加强支护、实时监测预警及卸压防治措施的有效落实，2101综放工作面冲击危害程度显著降低，冲击地压隐患基本得到了控制，未出现大的冲击地压显现事故，说明上述冲击地压综合防治技术是科学有效的，它扭转了冲击地压不可防、不可控的被动管理局面，有效地保护了职工的生命安全，最大限度降低了财产损失，有力地保障了矿井的安全生产。

参考文献

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作者簡介：李孝波（1962-），男，研究生学历，高级工程师，1986年毕业西安科技大学采矿专业，主要从事煤矿开采和管理工作。