工作面回采期间冲击危害防范措施的研究

张传宁 刘泉伸 杨 永

（山东能源集团鲍店煤矿，山东 邹城 273513）

1 工作面概况

1.1 地质概况

鲍店煤矿5312 工作面位于3#煤层，煤层平均厚度8.65 m，煤层平均倾角9°。煤层直接顶岩性为粉砂岩，厚度3.56 m，节理较发育，易破碎；老顶岩性为粉细砂岩，厚度8.47 m，坚硬致密，以细砂岩为主；直接底不发育；老底岩性为粉细砂岩，厚度18.43 m，岩石呈中厚层状。鲍店煤矿已鉴定煤层具有冲击倾向性。

1.2 采矿方法

煤层平均厚度8.65 m，煤层赋存条件稳定、结构简单，瓦斯鉴定为低瓦斯矿井。根据矿井五采区勘探及3 煤揭露情况，该区域3 煤无坚硬顶板、坚硬顶煤不易冒落的情况，顶煤冒放性好，设计采用综采放顶煤一次采全高工艺开采。设计割煤高度为3.2 m，当工作面煤壁片帮严重，局部顶煤破碎时可适当降低采高，控制在2.9～3 m，以加强对顶板及煤壁的控制。设计截深0.75 m，采放比1:1.7（割煤高度3.2 m，放煤高度5.45 m），采取两刀一放的推进模式，放煤步距1.5 m。

2 回采期间冲击危害防范措施

2.1 回采期间冲击危险监测[1-4]

（1）微震法

鲍店煤矿在5312 工作面装备了微震监测系统，利用该系统与工作面动压显现及钻屑法测试结果，综合分析矿震能量、震源位置与工作面动压显现的关系，预测工作面冲击危险性。

监测分析范围：采煤工作面沿开采方向和采空区方向300 m，左右两侧200 m。

监测分析内容：微震监测系统基于区域内发生的矿震活动情况，以每日震动活动为基本单元，对比分析3～7 d 内震动发生的频次、能量及分布特征。微震法预测冲击地压危险的一般规律有：① 矿震活动不明显且震动能量水平较低，预示围岩处于能量稳定释放阶段，可正常生产；② 矿震活动出现频次较高，能量显著增加，能量缓慢增加时间持续3 d以上，或者震动活跃期后出现骤降，则判定冲击地压危险；③ 震动能量与冲击地压危害呈正相关的关系，当震动能量＜1×105J 时，冲击的危险性相对较弱；当震动能量≥1×106J，说明矿区有剧烈的岩层活动，发生较大的应力转移，应当及时采取防冲措施。

（2）钻屑法

采取钻屑量指数衡量工作面的冲击危险程度，通过对工作面的钻屑量数据进行统计分析，获得符合该矿实际生产条件的钻屑量指数阈值，进而有效指导冲击地压预测。其中钻屑量指数=钻出煤粉量/正常排粉量，一般将1.5 倍正常排粉量定为该点是否具有冲击危险的阈值。

监测分析范围：钻屑法重点检测工作面60 m范围以内，钻孔布置在工作面里帮，钻孔须沿着煤层方向布置在煤层中部，切不可施工至煤层的顶底板位置。钻孔自煤壁前15～20 m 布置，每孔间距约20 m，孔径42～45 mm，孔深10 m，如图1。

图1 钻孔布置示意图（m）

监测分析内容：主要监测每米钻孔的钻屑量。若出现钻屑量指数超阈值，钻孔出现非正常的卡钻、吸钻、异响，则应采取相应的解危措施。为保证钻屑法监测的准确性和精度，当探眼煤粉量＞临界值时，立即在附近地点1 m 施工对比孔，以确定探测的准确性；同时在对帮也要施工煤粉检验孔，以确定对帮煤粉是否超标。

（3）应力在线监测

应力在线监测采用在线监测预警系统对工作面的地压状态进行实时监测。在线监测预警系统能够及时准确地监测采动应力场的变化规律并自动生成应力曲线，精确反映煤体地压应力。

监测分析范围：应力在线监测的压力传感器通常布置在工作面200 m 范围内，自距离工作面30 m开始布置，每间隔30 m 在回采实体煤侧布置一组测点；距离工作面停采线150 m 开始，开始对上山集中巷区域进行应力在线监测，每组间距50 m。每组测点安设两个压力传感器，两个传感器的埋设深度分别为8 m、14 m，间距1.5～2 m。

监测分析内容：应力在线监测的预警值设定见表1，根据不同的检测值显示不同颜色的检测曲线。应力增幅预警按照如下标准设定预警值，24 h 内应力增幅预警设定，增幅≥2 MPa，显示黄色；增幅≥4 MPa，显示红色。不发生冲击地压判断准则：① 全绿色；② 一组黄色预警+3 d 内无明显增压；③ 一组红色预警+1 d 内无明显增压。发生冲击地压准则：① 两组及以上红色预警；② 两组及以上黄色预警；③ 一组红色预警+1 d 内明显增压。

表1 预警值设定表

2.2 回采期间冲击防治方案[5-10]

工作面回采期间的解危措施主要包括大直径钻孔和煤体爆破卸压。检测到冲击危险的处理流程如下：（1）首先采用钻屑法监测，指标不超标的，则无需进行钻孔卸压。（2）当微震监测和钻屑监测异常数据达到预警值，指标超标时，则实施大直径钻孔卸压措施之后再通过钻屑法进行校验，如果指标不再超标，即可继续回采。（3）若出现应力值很高的异常区域或者大直径钻孔卸压效果不佳，则需采取爆破卸压措施，直至指标不超标方可以恢复采矿。

2.2.1 大直径钻孔卸压

大直径钻孔卸压措施需满足：钻孔间距为2 m，钻孔深度≥20 m，钻孔直径≥110 mm，钻孔高度为0.8～1.5 m，布置形式如图2。施工参数需根据实际施工条件调整。采用大直径钻孔卸压解危措施后，采取钻屑法进行效果校验，如果监测区域指标值仍有异常，应采取加密钻孔进一步实施解危措施。

图2 大直径卸压钻孔倾向剖面示意图

2.2.2 煤体卸压爆破

若出现应力值很高的异常区域或者大直径钻孔卸压效果不佳，则需采取爆破卸压措施。爆破卸压措施是在两大直径钻孔中间施工爆破钻孔实施爆破卸压。爆破钻孔参数如下：孔深15 m，孔径42 mm，炮眼间距5 m，单孔装药量4.0 kg，炮孔堵塞长度8 m。炮孔施工须沿着煤层方向且垂直于煤帮，与底板间距为1.2 m，爆破顺序采取逐孔起爆方式。爆破后采取钻屑法、微震监测法进行效果校验，直至彻底解除冲击地压危险为止。爆破钻孔布置如图3。

图3 爆破钻孔布置示意图（m）

2.3 特厚煤层冲击地压防治措施

鉴于5312 工作面“刀把型”布置且煤层厚度较厚，工作面在回采时应控制回采速度不超过8 m/d，要尽量控制好推进度和放煤量，确保工作面能够达到匀速推进、均匀放煤，工作面对接前后根据来压情况调整开采速度。在工作正常生产期间，根据冲击地压监测数据，判断工作面周期来压步距，加强冲击地压监测，采取相应的防冲击措施。

（1）初次来压

初次来压期间岩层活动剧烈，影响工作面前方0～60 m 范围。初采初放及顶板初次来压期间应严格按照区域冲击危险等级设计参数进行防治，工作面监测数据出现异常趋势时，应提高一个危险性等级进行防治。当监测数据出现异常时，必须按照冲击地压预警管理办法要求采取相应措施，确保指标在临界值以下方可生产。

（2）周期来压及采空区见方

根据覆岩运动规律，工作面推进至周期来压步距或工作面见方时，由于采场上方覆岩空间结构的连通，覆岩活动剧烈，煤体和围岩积聚弹性能释放，需加强监测及防治力度。周期来压期间岩层活动剧烈，影响工作面前方0～100 m 范围。初次见方影响范围为见方点前后50 m 范围，采空区周期性“见方”为见方点前后20 m 范围。工作面监测数据出现异常时，必须采取相应措施，并检验指标小于临界值后方可生产。

3 防冲措施的实际应用效果

为保证5312 工作面的安全开采，鲍店煤矿对评估的冲击地压危险区域采取超前预卸压措施。钻孔孔径150 mm，孔距2 m，深度25 m，工作面回采冲击危险区共计施工卸压钻孔630 个。工作面冲击危险性采用应力实时在线监测、微震监测、钻屑法监测等方法。

3.1 应力实时在线监测结果

采用应力实时在线监测系统对采煤工作面两顺槽冲击危险区域进行监测，应力传感器不大于30 m布置一组，每组包含2 个应力计（间距0.5～2m），根据回采情况及时挪移，保持工作面前方300 m 的超前支承压力影响区处于监测范围内。监测结果表明，工作面生产期间应力监测无异常，无明显的应力增高趋势，无预警。

3.2 微震监测

5312 工作面采用5 个微震拾震器对工作面震动信号进行采集，通过SOS 微震监测系统对冲击危险性进行分析。工作面开采以来共监测到震动事件2920 次，平均日震动18.6 次，累计震动总能量5.72×106J，最大震动事件能量为4.56×104J，103J 以下事件2824次，104J以上事件96次。监测结果表明：（1）工作面震动事件为103J 以下的小震动事件；（2）104J 以上事件主要是受到铺子断层的影响，造成铺子断层的局部应力集中，对工作面回采影响较小；（3）总体评价为微震事件相对较多但能量较小，工作面回采期间无异常压力显现。

3.3 钻屑法监测

工作面弱冲击危险区域每3 d 监测一次，无冲击危险区域每5 d 监测一次，监测范围100 m。钻屑法监测结果表明，煤粉钻孔施工过程中无卡钻、吸钻等动力现象，煤粉无超标现象，最大煤粉量3.38 kg/m。

4 结论

监测效果表明，鲍店煤矿5312 工作面在实施冲击地压治理措施之后能够有效控制工作面冲击地压问题。但是实际生产过程中仍需注意以下几点：（1）工作面胶运顺槽临近5311 采空区，煤柱承载力降低，应加强沿空巷道的矿压监测。（2）工作面辅运顺槽临近铺子断层，建议根据揭露岩石情况，及时修正铺子断层的结构参数，必要时重新评估断层影响。（3）由于冲击地压受到多个方面的影响，在实际开采过程中要根据现场具体情况动态调整冲击危险监测指标和防冲技术参数，做好顺槽超前支护、人员及设备安全防护和限员管理措施。