工作面“见方”期间冲击危险的监测与防治对策研究

刘聚友，赖 敏

（陕西麟北煤业开发有限责任公司，陕西 宝鸡 721505）

0 引 言

冲击地压是采场和巷道周围煤岩体积聚的弹性变形能突然释放而产生的煤岩动力灾害[1]。近年来随着我国煤矿采深的增加和开采强度的增大，冲击地压已成为制约煤矿安全高效生产的一种主要灾害[2]。这些灾害事故造成了人员的伤亡和经济损失。

近年来，冲击地压的监测与防治成为了国内外学者研究的热点。吴祥彬等[3]采用钻屑法对巷道围岩冲击危险进行监测，取得了较为成功的应用；谭云亮等[4]研究了坚硬顶板条件下冲击地压发生机理，并采用应力在线监测系统对工作面冲击危险性进行监测；张伟[5]采用矿压监测数据研究了煤层间距较小的采空区下方工作面采用综合机械化采煤工艺时的矿压规律；窦林名等[6]提出了冲击地压发生的原理为动静载叠加，并基于该诱发原理讨论了震动波主被动CT 反演技术等。

本文采用微震监测、矿压监测、煤体应力在线监测3 种监测方法对园子沟煤矿1012001 工作面过“见方”区域冲击危险进行监测，提出了大直径卸压钻孔和高压水力压裂相结合的卸压方案。为回采相似情况工作面监测与防治冲击地压提供了经验。

1 工作面概况

园子沟矿区地形总体为东南方向较高，西北方向偏低。1012001 工作面是园子沟煤矿首采工作面，工作面东部为101 盘区大巷，南部为1012002 工作面，西部为101 盘区边界，北部为西翼大巷。工作面走向长2 750 m，倾向长200 m，受地面村庄影响设计开采长度为1 600 m，工作面设计五条巷道，分别为高抽巷、1、2 号回风巷、带式输送机巷和辅助运输巷，其中1、2 号回风巷留1.5 m 底煤，带式输送机巷和辅助运输巷留1m 底煤。该工作面所采煤层为2 煤层，平均煤厚11.02 m。顶底板岩性均为泥岩，其中顶板厚2.0 m，底板厚5.0 m。2 煤层及其顶板均具有弱冲击倾向性，底板无冲击倾向性。

1012001 工作面布置示意图如图1 所示。据三维地震勘探资料显示，工作面内发育有DF12 和DF26断层，1 号回风巷侧附近区域发育有DF30 断层，辅助运输巷侧附近区域发育有DF25 断层。B3 背斜轴部和X2 向斜轴部穿过工作。

结合地质因素和开采技术条件，采用综合指数法和多因素耦合法对1012001 工作面冲击危险性评价分级。回采期间1012001 工作面冲击地压危险性综合指数0.67，为中等冲击危险；划分强冲击危险区域1个，中等冲击危险区域19 个，其余为弱冲击危险区域。其中，工作面回采进尺150~250 m 为“见方”影响区域，受“见方”影响，该区域为强冲击危险区域，回采期间应做好监测预警措施，并提出针对性防治方案，以确保工作面安全回采。

图1 1012001 工作面布置示意图

2 “见方”期间冲击危险监测预警情况

园子沟煤矿采用区域与局部相结合的方法对工作面回采期间的冲击危险性进行监测，区域监测采用微震监测法；局部监测采用应力监测法以及矿压监测法。

2.1 微震监测

微震监测是通过采集岩石破坏产生的微震和声波数据，这些数据被处理后可以确定破坏位置并显示出来[7]。1012001 工作面共安装SOS 微震拾震器9个，其中2 号回风巷4 个，带式输送机巷5 个。

图2 微震监测日能量与频次曲线图

2019 年9 月12 - 10 月 24 日工作面微震监测日能量与频次曲线图如图2 所示，由图可以看出，1012001 工作面微震日能量和微震频次在9 月22日后明显增加，9 月28 日微震日能量和频次有所下降，10 月4 日又处于较高水平，说明“见方”影响自工作面回采150 m 开始出现，其中回采170~190 m时“见方”影响较小，190~250 m 时“见方”影响较大。“见方”期间，采空区顶板岩层稳定性减弱，岩层断裂，受力状态发生改变，造成顶板的剧烈破坏，形成大范围的动压扰动，引起震动事件。

2.2 煤体应力在线监测

采动应力的时空演化过程对冲击地压的发生有重要影响，因此要加强煤体应力的监测。

9 月 22 日 -10 月 24 日期间 1012001 工作面超前300 m 范围应力最大值变化如图3 所示。由图可以看出，9 月22 日-10 月18 日应力最大值始终处于8~9 MPa 之间，10 月19 日应力最大值开始降低并于10 月21 日维持在6~7 MPa。工作面9 月22 日进入“见方”区域，10 月 21 日过“见方”区域。“见方”期间，工作面最大应力值受顶板结构影响处于较高水平，“见方”结束，最大应力值降低表明采空区后方顶板可能出现断裂，导致前方应力峰值降低。

图3 1012001 工作面应力监测最大值变化图

2.3 矿压监测

矿压监测可为掌握工作面周期来压规律以及液压支架的初撑力和工作阻力等支护情况提供实测数据，是冲击地压危险监测的重要补充手段[8]。工作面“见方”期间分别在 9 月 28 日、10 月 3 日、10 月 7日、10 月 14 日、10 月 21 日出现周期来压现象。

图4 工作面周期来压期间液压支架工作阻力统计图

周期来压期间液压支架的工作阻力变化如图4所示，可看出“见方”区域周期来压期间，工作面中部30-90 号支架出现压力集中。“见方”区域，顶板形成“O-X”破断结构，顶板大面积破断造成工作面支架阻力增大。且“见方”与周期来压叠加造成周边围岩应力环境十分复杂，来压情况更为严重。

综上所述，在“见方”期间，应加强冲击危险的监测与防护，采用区域监测与局部监测相结合的监测手段，同时应提高工作面中部的支架强度，保证支架初撑力。

3 “见方”期间防冲方案设计

由上述监测分析结果，“见方”期间造成工作面冲击危险的主要原因是煤体应力集中较高和工作面顶板大面积破断造成的冲击动载。为降低工作面冲击危险，设计以大直径钻孔卸压和顶板高压水力压裂为主的卸压方案。

3.1 大直径钻孔卸压

是预防冲击地压灾害的有效手段，它是一种施工在所采煤层中的，孔径不小于120 mm 的卸压钻孔，使钻孔周围的应力状态发生改变，使得应力峰值向对工作面影响较小的煤体深部转移；同时，钻孔增大了煤岩体的自由面，缓慢释放了积聚在煤岩体中的大量弹性能，降低煤岩体的冲击危险性。

“见方”区域卸压孔布置如图5 所示。针对1012001 工作面“见方”影响区域，共施工Ф153 mm大直径预卸压钻孔267 个，其中2 号回风巷煤柱侧50 个，孔深10 m；底板67 个，孔深为穿过煤层，平均3 m；带式输送机巷工作面侧和煤柱侧各50 个，孔深20 m；辅助运输巷实体侧50 个，孔深20 m。

图5 工作面“见方”区域卸压孔布置示意图

3.2 高压水力压裂

高压水力压裂是利用高压水改变顶板的结构，形成有利于顶板破断的裂隙；同时，顶板岩层吸水后强度降低，有利于顶板垮落。顶板的及时充分垮落能有效防治顶板型冲击地压。

工作面2 号回风巷、带式输送机巷超前工作面200 m 至停采线施工水力压裂孔。水力压裂钻孔孔径58 mm，孔深35 m，倾角70°，方位角 190°（与巷道夹角80°，终孔朝向采空区侧），孔间距10 m。水力压裂钻孔布置平、剖面示意图如图6 所示。

图6 水力压裂钻孔布置平、剖面示意图

综上所述，工作面“见方”期间冲击危险防治对策如图7 所示，通过采取上述措施，及时监测工作面冲击危险，降低工作面冲击危险程度，预防了冲击地压事故的发生，保证了工作面安全生产。

图7 工作面“见方”期间冲击危险防治对策

4 结 论

1）工作面受“见方”影响，采空区顶板岩层稳定性减弱，顶板结构发生改变，造成顶板的严重破坏，冲击危险性增高。

2）工作面“见方”期间，微震日能量和微震频次增加，工作面前方应力最大值增大，工作面支架阻力增大。

3）根据工作面监测分析结果，建立了工作面“见方”期间冲击危险防治对策，降低了冲击地压危害程度，保障了矿井正常生产接续。