高应力煤柱下采场冲击地压防治技术研究

张金彪 刘明显 马 伟

（山东省七五生建煤矿，山东 微山 277606）

1 工作面概况

山东七五生建煤矿3下128工作面位于-624水平北一采区东部，东侧为张庄逆断层（H=0～30m），西侧为F3-1断层（H=8.6m）和3下126工作面采空区，南部靠近北一回风巷，北侧为采区边界；工作面上部为3上311工作面采空区，但是本工作面并不完全位于上部采空区下，切眼一部、轨道巷一部、运输巷大部位于上部采空煤柱之下，即位于上部高应力煤柱区影响范围内。如图1所示。本工作面地面标高约+38.9～ +39.2m，井下标高约-590～ -630m，埋深约630～670m；工作面运输巷长约578m，轨道巷长约627.6m，切眼长46m。

3下128工作面属于深部高应力煤柱区影响下的断层夹持型工作面。与实体工作面或沿空工作面相比，深部高应力煤柱区影响下工作面受上部采空煤柱高应力、本层采空高应力和断层高应力叠加影响，冲击地压危险性更高。

图1 3下128工作面平面图

2 工作面冲击危险性分析

2.1 工作面冲击影响因素分析

（1）煤层及顶底板具有弱冲击倾向性

3下128工作面所处的3下煤体单轴抗压强度为15.645MPa，具有弱冲击倾向性；煤层顶、底板均具有弱冲击倾向性。

3下128工作面煤层及顶底板具备发生冲击地压的冲击倾向性条件。

（2）开采深度较大

3下128工作面埋深630～670m。就埋深而言，工作面已具备冲击地压发生的深度条件。

（3）工作面位于上部工作面煤柱之下

3下128工作面上部为3上311和3上128工作面采空区，但是本工作面部分巷道位于上部采空区之外的煤柱之下，处于煤柱高应力影响范围，存在较大冲击地压危险。

（4）覆岩运动的影响

3下128工作面基本顶为中砂岩，回采过程中顶板剧烈活动时，即基本顶初次破断及工作面“见方”等阶段，冲击危险性较大，需要对其进行重点监测，提前采取钻孔卸压等处理措施，确保工作面避免发生顶板动力危害及顶板运动诱发的冲击地压灾害。

（5）存在断层构造

3下128工作面东西两侧被F3-1断层（H=8.6m）和张庄断层（H=0～30m）所切割和夹持形成应力孤岛；并且工作面顺槽掘进期间，揭露16条断层。

在工作面接近断层期间可能会出现应力集中现象，从而增加工作面冲击地压危险。

2.2 工作面冲击危险区域划分

通过对3下128工作面地质和开采条件的分析，进行了工作面冲击危险区域的划分，为后期防治冲击地压措施提供依据。图2中①、③、④、⑥、⑦为受上部煤柱和断层影响的强冲击危险区，②、⑤为分别受断层和埋深影响的中等冲击危险区。

图2 工作面冲击危险区域划分图

3 冲击地压监测技术

3下128工作面采用以微震法、应力监测法和钻屑法相结合的冲击地压监测技术进行工作面冲击地压的预测、监测和预报。

3.1 微震监测

在3下128工作面安装了KJ551微震监测系统，微震监测系统能够捕捉岩体破裂事件，并能够对既发事件进行准确定位。根据微震事件的分布规律，判断顶板运动情况和支承压力的位置，进而根据顶板破断情况和高应力区与煤壁的相对位置关系对冲击地压进行区域性预警。两巷分别安装3个微震检波器，其中保持每巷1个底板、2个顶板。每个微震检波器相距60～150m，根据工作面推采进度进行向外挪移，微震监测线路应避开供电供液设备。监测到的微震事件及时分析、总结，形成日报表，判断冲击危险程度。

图3 微震监测设备布置图

3.2 冲击地压实时监测

3下128工作面轨道巷、运输巷从掘进开始，安装KJ21煤体应力计，形成冲击地压实时监测系统，做到对整个工作面进行全面实时监测。组间距30m，每组传感器水平方向分别安装浅孔应力计（8m）和深孔应力计（14m），两个应力计相距3m，观测该区域煤体在静态和在动压影响（工作面采动影响）下的应力变化情况，结合钻屑法等综合监测冲击地压危险性。

3.3 钻屑法监测

钻屑法是通过在煤层中钻直径Φ42～45mm钻孔，根据钻孔在不同深度排出的煤粉量及其变化规律以及有关动力现象判断冲击危险的一种方法。主要进行冲击危险性检测检验。

4 冲击地压防治技术

3下128工作面采用以大直径钻孔卸压、加强顺槽支护和超前支护、危险区域主动防护为主的冲击地压防治技术。

4.1 主动强预卸压技术

根据3下128工作面冲击危险性评价，对中高度冲击危险区开展超前预卸压钻孔技术。对巷道两帮实施大直径钻孔，孔径110mm，钻孔深度20m，孔间距为中度危险区3m，强危险区2m，钻孔距离底板一般0.5～1.2m，紧跟掘进工作面施工。回采前，超前200m对巷道两帮加密实施钻孔卸压。

4.2 主动强支护技术措施

4.2.1 3下128工作面巷道支护

工作面两顺槽采用锚网索带支护，锚杆Φ20×2400mm无纵肋螺纹钢锚杆，锚杆间排距均为900×900mm；锚索采用规格为Φ17.8×6200mm预应力钢绞线，间排距为1800×1800mm，锚固到砂岩层中的长度不小于1.5m。

4.2.2 两巷超前维护距离

工作面两巷超前加强支护。其中强危险区域超前100m，中等危险区采区80m，布置3排支护，一梁一柱，柱距1.2m，单体支柱初撑力为114kN（12MPa）。在单体中部使用连接杆，上端拴防倒绳。

4.3 危险区域采取主动强防护措施

（1）冲击危险管理区域锚杆、锚索要采取防崩措施，锚杆、锚索端头用12#铁丝拧紧固定在W型钢带或铁丝网上。

（2）迎头向外150m范围为冲击危险区域，必须实行挂牌管理，在起始点明显位置设置拦绳网悬挂冲击危险区管理警示牌和限员管理牌。

（3）冲击危险区人员严禁摘掉安全帽，必须系好帽带；不得坐在巷道底板或物料上休息，不得扎堆休息；不得在以下地点逗留：巷道高度不够处、人行道安全间隙不够处、锚杆失效或支护薄弱地点、锚索下方、设备或物料附近、靠近铁质管路处。

（4）现场挂牌标注中等、强冲击危险区域。强冲击地压危险的区域不得存放材料和设备；巷道内杂物应当清理干净，保持行走路线畅通；对冲击地压危险区域内的在用设备、管线、物品等应当采取固定措施，管路应当吊挂在巷道腰线以下，并采取固定措施。

（5）采用远距离供电供液，供电供液设备安装于集中进风巷内，不受采动影响。

（6）工作面两顺槽必须设置压风自救系统。应当在距工作面25～40m的巷道内至少设置1组压风自救装置。

（7）冲击地压矿井必须制定采掘工作面冲击地压避灾路线，绘制井下避灾线路图。冲击地压危险区域的作业人员必须掌握作业地点发生冲击地压灾害的避灾路线以及被困时的自救常识。

4.4 效果检验

施工卸压钻孔后，密切注意微震监测数据、应力计监测数据和钻屑量，观察微震事件频次与能量是否降低，应力计监测值是否降低到预警值以下，辅以钻屑法检验，检验范围包括冲击危险区及上下30m范围，每15m施工一个煤粉监测孔，如果检测指标超过预警值时，必须进行二次卸压，直至排除冲击危险。

实施钻孔卸压等一系列冲击地压防治措施后，微震法、应力在线法和钻屑法监测均未超过警戒值，说明卸压效果良好。

5 结论

（1）通过对3下128工作面地质和开采条件的分析，得到工作面冲击地压主要影响因素为：煤层及其顶底板具有弱冲击倾向性、开采深度较大、工作面位于上部工作面煤柱之下、覆岩运动的影响、存在断层构造。并将工作面划分为5个强冲击危险区域和2个中等冲击危险区域。

（2）制定了微震法、应力监测法和钻屑法相结合的冲击地压监测技术，建立了以大直径钻孔卸压、加强顺槽支护和超前支护、危险区域主动防护为主的冲击地压防治技术体系。

（3）通过工作面冲击地压监测和防治技术的实施和效果检验，实现了工作面安全无冲击回采，为类似条件下工作面冲击地压的防治提供了参考。