梁寶寺煤礦下孤島工作面特厚煤層綜放工作面沖擊地壓防治技術(shù)

梁寶寺煤礦下孤島工作面特厚煤層綜放工作面沖擊地壓防治技術(shù)

13201下一步剖面1.1工作面分布、工業(yè)模型3201下工作面位于梁寶寺-708m水平320m采區(qū)頂部。該工作面位于3201和3202的廣泛采樣表面上。3201和3202的兩個(gè)工作面被回收并形成一個(gè)孤島（見圖1）。3201下工作面走向長(zhǎng)918m,傾斜長(zhǎng)140m,可采儲(chǔ)量7.6萬(wàn)t;地面標(biāo)高+36.4~+39.5m,工作面標(biāo)高-555.4~-616.5m。工作面煤層厚2.4~3.4m,平均2.73m,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,f=1.8;煤層傾角5~13°,平均8°。直接頂為粉砂巖,厚0~4.3m,平均1.0m;老頂為中砂巖,厚4.1~30.76m,平均22.1m。直接底為粉砂巖,厚0.45~11.95m,平均6.1m;老底為中砂巖,厚6.1m(見圖2)。工作面構(gòu)造以褶曲為主,自東向西依次為:梁寶寺向斜、黃河李背斜、申莊向斜。1.2沖擊危險(xiǎn)指數(shù)工作面煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性。(1)工作面沖擊危險(xiǎn)綜合指數(shù)評(píng)價(jià)。工作面地質(zhì)因素影響下的沖擊地危險(xiǎn)性指數(shù)Wt1=0.84,具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn);工作面開采技術(shù)條件影響下的沖擊地危險(xiǎn)性指數(shù)Wt2=0.54,具有中度沖擊危險(xiǎn)。沖擊危險(xiǎn)指數(shù)Wt={Wt1,Wt2}=0.84,具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)。(2)工作面沖擊危險(xiǎn)可能性指數(shù)評(píng)價(jià)。工作面平均開采深度650m左右,兩側(cè)為采空區(qū),工作面移動(dòng)支承壓力應(yīng)力集中系數(shù)為2.5,最大應(yīng)力39.375MPa,煤層單向抗壓強(qiáng)度為19~24MPa,其比值達(dá)到了2.07,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)生沖擊地壓的基本應(yīng)力允許。煤層的彈性能指數(shù)WET=5.97~10.07,具有強(qiáng)沖擊傾向性。工作面發(fā)生沖擊地壓的可能性指數(shù)U=1.0,具有沖擊危險(xiǎn)。1.3空區(qū)頂板配套工作面采用綜采工藝,一次采全高,全部陷落法管理采空區(qū)頂板?！叭龣C(jī)配套”型號(hào):MGTY400/930-3.3D型雙滾筒電牽引采煤機(jī);ZZG6800/23/35型液壓支架;SZG800/800型中雙鏈刮板輸送機(jī)。2影響地壓的觸發(fā)因素分析2.1中砂巖層分析3201下工作面綜合柱狀圖,3煤層頂板組合存在堅(jiān)硬厚巖層,即中砂巖,平均厚22.1m;且直接頂厚度變化較大,局部煤層直接頂即為老頂堅(jiān)硬中砂巖層。因此,在工作面開采過程中,存在頂板易形成懸頂進(jìn)而聚積大量彈性能的可能,有突然釋放導(dǎo)致頂板發(fā)生沖擊的隱患。2.2沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理工作面構(gòu)造以褶曲為主,自東向西依次為:梁寶寺向斜、黃河李背斜、申莊向斜,且有三條較大斷層(Zf2-28、29,Zf3-30,落差均為0~3m)。一般在向斜的翼部附近會(huì)造成煤、巖應(yīng)力局部集中。在一定開采條件下,褶曲構(gòu)造附近易發(fā)生沖擊地壓事故。斷層活化是巖層運(yùn)動(dòng)的一種特殊形式,斷層處巖層的不連續(xù)性導(dǎo)致斷層本身不穩(wěn)定,在高應(yīng)力作用下,斷層較完整巖層先行運(yùn)動(dòng),隨工作面推進(jìn),其超前支承壓力的影響范圍不斷向前發(fā)展,當(dāng)?shù)竭_(dá)斷層影響區(qū)域后,斷層本身構(gòu)造應(yīng)力與工作面超前支承壓力形成疊加,使斷層附近的支承壓力增高,重新分布,當(dāng)滿足沖擊條件時(shí),可以誘發(fā)沖擊地壓;根據(jù)一般實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在工作面前方存在斷層的情況下,當(dāng)工作面距離斷層20~40m時(shí),最容易誘發(fā)沖擊地壓。2.3工作面沖擊地壓3201下工作面最大開采深度超過700m,工作面周圍影響礦山壓力顯現(xiàn)程度的巖層運(yùn)動(dòng)空間已經(jīng)超出了直接頂和老頂?shù)姆秶?。工作面推進(jìn)過程中,隨著覆巖空間結(jié)構(gòu)的變化(如出現(xiàn)應(yīng)力疊加而產(chǎn)生應(yīng)力集中),可能誘發(fā)沖擊。由于3201下工作面兩側(cè)為采空區(qū),因此工作面在推采一段距離后,三個(gè)采空區(qū)會(huì)形成典型的“C”型覆巖空間結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)會(huì)隨著工作面的推進(jìn)而向前方不斷移動(dòng),在特定條件下可發(fā)生沖擊地壓。在工作面堅(jiān)硬老頂初垮、初壓,采空區(qū)一次、二次見方過程中極易誘發(fā)沖擊。2.4煤柱卸壓過程中應(yīng)力集中分析工作面平面圖可知,當(dāng)工作面推采到3202和3201工作面采空區(qū)附近時(shí),受采空區(qū)的影響,導(dǎo)致該煤柱應(yīng)力集中,在回采到該區(qū)域時(shí),如果不采取卸壓措施,很容易發(fā)生應(yīng)力集中,可能誘發(fā)沖擊。在“刀把”位置處的巷道,會(huì)形成孤島中的孤島,造成開采過程中的高應(yīng)力疊加(見圖3)。3面漆技術(shù)的重點(diǎn)肥礦集團(tuán)、梁寶寺煤礦與北京科技大學(xué)聯(lián)合,對(duì)3201下孤島工作面進(jìn)行了沖擊傾向性評(píng)價(jià)及專題防沖技術(shù)措施研究。3.1留設(shè)煤柱的方案按照防沖臨界設(shè)計(jì)原則,綜合工作面煤層厚度、開采深度及巷道寬度,計(jì)算確定3201下工作面兩順槽與兩側(cè)采空區(qū)留設(shè)凈煤柱寬為4.5m。實(shí)踐證明,該煤柱設(shè)計(jì)較為合理,既能最大限度發(fā)揮支撐能力,又合理避免了沖擊隱患。為增加沿空煤柱的支撐能力,在煤柱一側(cè)幫部采用了注漿錨桿加固支護(hù)技術(shù)。3.2斷頂爆破、封孔工作面開采前,在切眼內(nèi)施工2排斷頂孔,距切眼兩幫2m各施工1排。斷頂孔直徑75mm,孔深12m,仰角60°,間距4.5m。斷頂爆破采用水膠炸藥,每三塊水膠炸藥綁扎為一捆,沿爆破孔順序裝填,每0.5m放置一雷管,段號(hào)一致,每孔裝藥長(zhǎng)度6m,每孔共計(jì)裝藥量90塊×150g/塊=13500g;封孔采用水炮泥配合粘土炮泥。首次爆破1孔(靠近順槽1號(hào)孔),其它依次爆破,每3個(gè)孔為一組爆破。通過深孔爆破,有效釋放了工作面懸頂造成的頂板能量積聚。3.3工作面壓力解危措施3201工作面初次來(lái)壓步距為59m,周期來(lái)壓步距為27~30m,超前支承壓力影響范圍約90~110m,峰值影響區(qū)位于工作面前方約30~45m。因此,受超前支承壓力影響,預(yù)留煤柱寬度應(yīng)大于90m(3202工作面采空區(qū)西側(cè)45m與3201工作面東側(cè)45m),考慮1.2倍的安全系數(shù)和中間巷影響(巷寬4.5m),預(yù)留煤柱寬度應(yīng)大于112.5m。同時(shí)考慮側(cè)向支承壓力影響范圍,根據(jù)計(jì)算,3202采空后側(cè)向支承壓力影響范圍為90~110m,峰值影響范圍約50m,因此,3201工作面開采后,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)中間巷均處于側(cè)向應(yīng)力影響范圍內(nèi)。尤其在中間巷軌順以里50m附近應(yīng)力達(dá)到最大,礦壓顯現(xiàn)明顯。綜合分析,最終確定“刀把”區(qū)煤柱留設(shè)120m(見圖4)。同時(shí)研究制定了嚴(yán)密監(jiān)測(cè)、預(yù)卸壓、解危措施及應(yīng)急預(yù)案,重點(diǎn):(1)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警,在工作面軌順、新開軌順、中間巷埋設(shè)應(yīng)力計(jì),當(dāng)發(fā)生黃色或紅色預(yù)警時(shí),采取必要卸壓措施。反復(fù)卸壓仍不能降低應(yīng)力值時(shí),停止推采;(2)動(dòng)力顯現(xiàn),推采過程中出現(xiàn)明顯的動(dòng)力現(xiàn)象,如震頂、大煤炮、錨桿(索)崩斷、巷道大變形,降低工作面推采速度,必要時(shí)停止推采;(3)巷道支護(hù),在進(jìn)入160m煤柱區(qū)后,新開軌道巷、軌道巷、中間巷位置應(yīng)加強(qiáng)支護(hù),確保足夠的支護(hù)強(qiáng)度;(4)停采縮面,工作面到達(dá)停采線后,局部撤面期間,強(qiáng)礦壓觀測(cè),發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)進(jìn)行卸壓處理,必要時(shí)立即撤人;(5)嚴(yán)格限員,制定嚴(yán)格的限員管理措施,尤其在工作面割煤和停采撤面期間,對(duì)軌道巷、新開軌道巷和中間巷實(shí)行嚴(yán)格限員。3.4錨點(diǎn)卸壓孔間距超前工作面300m,施工兩順槽卸壓孔;超前工作面400m對(duì)“刀把”煤柱區(qū)施工卸壓孔。鉆孔直徑110mm,順煤層傾角,布置于底板以上1.2~1.5m。卸壓孔間距按“1、2、3”原則施工,即:未劃入危險(xiǎn)區(qū)域塊段和一般危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)卸壓孔間距3m,鉆孔深度18m;中度危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)孔間距2m,鉆孔深度18m;高度危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)孔間距1m,鉆孔深度20m。同時(shí)超前500m對(duì)過斷層等留底煤巷道段進(jìn)行底板充分卸壓,卸壓孔進(jìn)入直接底板至少0.5m,并進(jìn)行注水浸潤(rùn)。3.5有效監(jiān)測(cè),提升聯(lián)動(dòng)安裝沖擊地壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),保持對(duì)工作面前方300m范圍內(nèi)實(shí)施有效監(jiān)測(cè)。為確保給卸壓解危留有安全施工時(shí)間,對(duì)黃色及紅色預(yù)警值均降低一個(gè)量級(jí)設(shè)定,提升一個(gè)級(jí)別預(yù)警,切實(shí)做到“重點(diǎn)于防”——黃色預(yù)警必須解危。同時(shí),縮短煤粉鉆監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔,提高監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)時(shí)效。3.6分析解危在工作面推采至“刀把”煤柱區(qū)附近時(shí),監(jiān)測(cè)應(yīng)力明顯集中、疊加,沖擊危險(xiǎn)程度上升。隨機(jī)列舉解危實(shí)例如下。(1)2013年4月5日23:40,工作面推采至626m(含切眼),工作面軌順在線監(jiān)測(cè)第二組8m應(yīng)力計(jì)距工作面20m,壓力上升至10.00MPa,黃色預(yù)警,壓力有持續(xù)上升跡象。遂安排在軌順在線監(jiān)測(cè)第二組8m應(yīng)力計(jì)兩側(cè)預(yù)警區(qū)域施工卸壓孔進(jìn)行解危,孔間距0.8m,孔深18m,并適時(shí)進(jìn)行注水處理,安全解危(見圖5)。(2)2013年4月7日23:31,工作面推采至631m(含切眼),工作面軌順在線監(jiān)測(cè)第二組8m應(yīng)力計(jì)距工作面15m,壓力上升至10.34MPa,黃色預(yù)警,壓力有持續(xù)上升跡象。遂安排在軌順在線監(jiān)測(cè)第二組8m應(yīng)力計(jì)兩側(cè)預(yù)警區(qū)域施工卸壓孔進(jìn)行解危,孔間距0.8m,孔深18m,并適時(shí)進(jìn)行注水處理,安全解危(見圖6)。(3)2013年4月8日7:40,工作面推采至631m(含切眼),工作面新軌順在線監(jiān)測(cè)第十四組8m應(yīng)力計(jì)距工作面23m,壓力上升至10.05MPa,黃色預(yù)警,壓力有持續(xù)上升跡象。遂安排在新軌順在線監(jiān)測(cè)第十四組8m應(yīng)力計(jì)兩側(cè)預(yù)警區(qū)域施工卸壓孔進(jìn)行解危,孔間距0.8m,孔深18m,并適時(shí)進(jìn)行注水處理,安全解危(見圖7)。4工作面沖擊地壓檢測(cè)措施2014年3月31日,3201下孤島工作面已安全回采完畢,生產(chǎn)原煤約45萬(wàn)t。在工作面煤層具有強(qiáng)沖擊傾向,且大采深、孤島、不規(guī)則“刀把”煤柱、褶曲及斷層等特殊條件下,安全管理尤其是防沖面臨極大壓力條件下。通過深入研究論證開采條件,依靠科學(xué)監(jiān)測(cè)解危技術(shù)、制定切合實(shí)際的防沖技術(shù)措施等有效手段,實(shí)現(xiàn)了防沖安全。(1)結(jié)合實(shí)際,深入研究工作面地質(zhì)與技術(shù)條件,聯(lián)合北京科技大學(xué)防沖技術(shù)團(tuán)隊(duì)認(rèn)真研究制定3201下孤島工作面沖擊傾向評(píng)價(jià)及技術(shù)研究報(bào)告,為分析排查工作面沖擊地壓誘發(fā)因素與發(fā)生條件奠定基礎(chǔ)。(2)基于防沖評(píng)價(jià)與防沖安全,進(jìn)行工作面安全開采論證及設(shè)計(jì),在巷道布置、切眼斷頂、煤柱留設(shè)、強(qiáng)化支護(hù)、底煤處理、勻速推采等方面,研究制定了針對(duì)性詳細(xì)措施,為防沖工作提供先決條件。(3)研究制定工作面沖擊地壓防治設(shè)計(jì),特別針對(duì)“刀把”煤柱、褶曲構(gòu)造等高度危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行了多次研究與論證,措施針對(duì)性較強(qiáng),發(fā)揮了關(guān)鍵作用。(4)擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍,始終保持對(duì)工