唐山矿3654 工作面冲击失稳监测防治技术研究

孙 胜

（开滦（集团） 有限责任公司，河北 唐山 063018）

0 引 言

我国资源禀赋特征是 “缺气、少油、相对富煤”，煤炭依然是我国的基础能源[1]。随着煤炭科技进步，煤炭安全生产形势持续好转，煤炭工业创新支撑了国民经济快速发展。这也意味着煤炭的开采强度、能源需求不断增加，浅部开采不再满足发展需求，不得不进行深部开采[2]。煤炭深部开采与浅部明显不同，深部开采受到环境的“三高” 和“三强” 的影响，更容易诱发冲击失稳、顶板垮落、矿震等灾害，造成严重破坏，人员伤亡，生产效益降低[3-5]。因此，开展煤炭深部开采动力灾害机理与防治基础研究，对于保证我国煤炭工业的持续、安全发展，保障能源的安全供给具有重要意义，也是建立以人为本和谐社会的必要条件。

1 工程概况

唐山矿3654 工作面为5 煤层开采工作面，煤层平均厚度2.84 m，倾角10°，走向长度393 m，倾斜长度137.5 m，工作面布置如图1 所示，开采深度为- 758 m，南侧为京山铁路保护煤柱，北侧为十二水平运输巷道保护煤柱，东侧未受采动影响，西部为3654 工作面，采面处于宽缓的向斜轴部，局部遇有落差小于1 m 的断层，煤层赋存基本稳定。

图1 3654 工作面工作面布置Fig. 1 Arrangement of 3654 working face

2 冲击失稳诱发因素分析

冲击失稳的发生往往是多因素共同作用的结果。开采深度、煤岩力学特征、地质动力作用等都是诱发动力灾害事故的主要因素。唐山矿采深- 530 m 以上时未发生过煤岩冲击动力失稳，在- 530～- 600 m 发生48 次；当采深达到- 630 m 以下后，甚至在工作面中也发生了煤岩冲击动力失稳。结合煤（岩） 物理力学性质（表1），数据表明5 煤层煤质中硬，脆性较大，具有中等以上的煤岩冲击动力失稳危险倾向；顶板坚硬，脆性高，当其断裂振动时，易于发生煤岩冲击动力失稳。同时，在上覆岩层内也存在多个坚硬岩层，这些坚硬顶板的活动、断裂失稳也易于导致煤岩冲击动力失稳。唐山矿井田主要发育的构造为新华夏系形成的陡河断裂，在浅部分支内有5 条断层。理论实践证明，在向斜轴部，尤其是在煤层褶皱，断层附近，构造变化区等因地质运动形成的活化带，煤层赋存较大的构造应力，很容易发生冲击失稳事故。因此，了解研究冲击失稳诱发因素对于保证职工生命财产安全，保障安全生产，提高生产效率、节约矿井开采工程成本具有深远且重大的意义[6-7]。

表1 煤（岩） 物理力学性质Table 1 Physical and mechanical properties of coal (rock)

3 冲击失稳监测及防治技术

3.1 冲击失稳监测技术

防治工作的重要部分是煤岩冲击动力失稳预测，准确的预测对及时采取防范措施是十分重要的。只有较为准确地进行检测预报，才能有针对性地采取防治措施。3654 工作面使用地音监测、巷道支架变形观法、钻屑检法等监测方法。声发射监测采用北京煤科院开采所研制的BD4- 1 型便携式地音仪，对工作面采用定点监测法进行监测，随着工作面的推进，在风道、溜子道超前20～50 m 各保持1 个地音监测孔，为减少干扰，每天在交接班时间或准备班进行观测，通过监测能率，找到数据的变化规律，来分析煤岩体的应力变化情况。钻屑检测法使用MZ- 1.2 型矿用煤电钻，φ42 mm 麻花钻杆，孔深不小于6 m，向煤壁内垂直打孔，记录不同深度时每米孔深的煤粉量和动力现象，由检测结果判断煤岩冲击动力失稳的可能性。根据大量钻屑检测结果，将唐山矿冲击危险划分为3 个等级，即无危险、中等危险、严重危险。钻屑检测指标见表2。

表2 钻屑检测指标Table 2 Drilling cuttings detection index

3.2 冲击失稳防治技术

综合地音监测、钻屑检测等冲击失稳检测方法的结果，对潜在煤岩冲击动力失稳现象的发生做出判断，并及时采取煤层注水、卸压爆破等措施来降低冲击危险程度。

煤层注水法是对煤层进行压力预注水后，使煤体湿润，改变煤体的物理力学性质，减小煤体弹性，增加煤体塑性，改变煤体的应力状态，从而降低和减缓煤层的冲击危险程度[8-9]。3654 工作面从开采至结束，在风道共打有效钻孔10 个，孔深12.5～36 m，孔间距25 m，钻孔总长度180 m，累计注水量884 m3。图4.1 为注水钻孔布置，为了检测煤体的注水效果，对注水前后煤体含水率进行了现场测定。图2 为注水前后的钻屑检测结果，注水前峰值钻屑量为4.6 kg/m，注水后为3.25 kg/m，降低了29.3%，注水降低了煤体的应力集中程度，无明显应力集中现象，煤岩的冲击危险性减小，整体应用效果比较好。

图2 注水钻孔布置Fig. 2 Water injection drill hole layout

图3 注水前后的钻屑检测Fig. 3 Drilling cuttings testing before and after water injection

卸压爆破是针对可能存在冲击危险的煤岩体进行钻孔爆破，以达到减缓其应力集中程度的一种解危措施[10-12]。在3654 风道沿走向中部区段，有Ⅱ～Ⅲ级冲击危险，是首先需要卸压的部位。3654 工作面卸压爆破钻孔按垂直煤壁方式布置，倾角与工作面顶板相一致，钻孔深度5～7 m，钻孔间距3～5 m，每个钻孔装药量600～750 g，躲炮时间20～30 min，躲炮距离100～150 m，在开切眼前方133 m 位置，钻孔2 检测峰值钻屑量为30.2 kg/m，并产生卡钻现象，因此采用钻屑法在其两侧进行范围圈定，卸压爆破效果检测孔布置如图4 所示，图中1、2、3 为正常检测孔，为圈定范围检测孔，进行松动爆破。综合表2 和图5 表明，钻孔深度在6～7 m 时圈定范围检测孔的钻屑量明显低于钻孔2 说明该范围内的冲击危险等级由严重危险变成了Ⅰ级无危险。

图4 卸压爆破效果检测孔布置Fig. 4 Layout of test hole for relief blasting effect

图5 松动爆破前后的钻屑检测Fig. 5 Drilling cuttings detection before and after loose blasting

3.3 应用效果

3654 工作面自应用防治措施至开采结束，共发生了5 次煤岩冲击动力失稳，较之前当采深达到- 530 m 以下发生数十次煤岩冲击动力失稳而言，得到了明显改善。由于采取了合理的预测手段和综合治理措施，使该工作面的冲击危险程度得到降低和缓解，整个开采期间仅发生5 次煤岩冲击动力失稳，没有造成大的破坏，实现了该工作面的安全开采，产生了良好安全效益、经济效益。

4 结 论

（1） 通过对唐山矿3654 工作面冲击失稳诱发因素的分析，综合开采深度、煤岩力学特征、地质动力因素分析结果，为选择合理的冲击失稳监测方法提供重要依据。

（2） 根据唐山矿3654 工作面的地质条件及生产现状，确定3654 工作面采取的冲击失稳监测方法为钻屑法和地音监测法。

（3） 整个方法立足于冲击危险程度的预测，并尽可能地采取主动的积极有效的措施，减小煤岩冲击动力失稳的危险程度，降低3654 工作面发生冲击失稳失稳的频率，实现对冲击失稳有效防治的目的。