上覆遗留煤柱区冲击矿压治理实践

上覆遗留煤柱区冲击矿压治理实践

董亚东

鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司内蒙古鄂尔多斯市017300

摘要：随着煤矿开采深度和开采强度的增加，冲击矿压问题日益严重。冲击矿压是煤岩在高应力作用下产生的动力灾害。由于周边采空，煤柱区往往是高应力集中区，易诱发冲击矿压显现。对某矿深部遗留煤柱下方工作面进行了矿压观测，利用动静载荷叠加原理分析了产生高应力的原因，采用震动波层析成像技术划分出煤柱下方工作面冲击危险区域，通过对卸压后工作面矿震及应力的分析，并提出深部巷道卸压的动态防治。

关键词：遗留煤柱；冲击矿压；防治体系

冲击矿压是开采引起的巷道或采场周围煤岩体突然、急剧、猛烈的动力现象。随着采深的增加，矿震诱发的冲击矿压等灾害更具突出、复杂和破坏性，成为采矿界面临的世界性难题之一。某矿深井A工作面回采阶段，由于上分层遗留煤柱影响，回采巷道变形严重，底鼓量大，巷道布置复杂，冲击危险性评价结果显示，多个区域存在中等以上冲击危险。为保证该工作面安全回采，对工作面两巷及周围巷道进行了跟踪观测，并对危险区域采取了卸压措施。

一、工作面概况

该工作面位于矿井西一下山采区1025m水平，标高1115-1145m。走向长431m，倾向245m，煤层倾角0-15°，平均倾角5°，煤层厚度2.3-3.2m，平均2．6m，该面煤层相对稳定，普遍发育一层夹矸，煤层由外向里逐渐增厚，夹矸也同时逐渐增厚。直接顶为16．35m的砂岩，细粒，以长石石英为主，富含棕褐色菱铁质及炭纹，f=4直接底为页岩，厚度4．86m，硬度f=3浅部为B工作面采空区，深部为未采区，上覆C、D工作面采空区。

二、矿压观测

采用微震法以及钻屑法进行工作面矿压观测。微震法采用波兰SOS微震监测系统，SOS微震监测仪是波兰矿山研究总院采矿地震研究所设计制造的新一代微震监测仪。该系统可实现对矿井包括冲击矿压在内的矿震信号远距离、实时、动态监测，给出冲击矿压等矿震信号的完全波形。通过分析研究，能够准确计算出能量大于100J的震动发生的时间、能量及坐标，通过波形判断出震动的类型以及冲击矿压发生的力源，对矿井冲击矿压危险程度进行评价。也可进一步分析出矿井上覆岩层的断裂信息，描述空间岩层结构运动和应力场的演化规律。工作面回采可分为两个阶段，在采空区下方时，由于上覆煤层开采使应力释放，回采过程中矿压显现并不明显，微震监测系统统计矿震信号，当工作面回采进入煤柱区时，上覆岩层原岩压力并未得到有效释放，巷道所承受的静载荷值很大，加上回采过程中产生的动载扰动，震动信号明显增多，大能量震动信号频发且集中如图。

从矿震分布图中可以看出，该时段大震动信号主要集中在材料道出口以及相连接的石门处，从应力异常指数云图中可以看出，材料道出口处，皮带机道进入煤柱区处以及工作面前方支承压力区正异常指数均大于0.15，根据实验确定的波速正异常变化与应力集中程度之间的关系可知，当波速正异常指数大于0.15时，具有中等及以上冲击危险。从现场来看，材料道距工作面200m至出口处巷道变形比较严重，局部顶板破碎下沉，底板底鼓量大。从钻屑法结果看，出现煤粉量超标、吸钻及卡钻现象。因此，有必要对该区域采取相应的卸压措施，降低冲击危险等级，保证人员安全和工作面顺利回采。

三、卸压措施

从矿压观测结果来看，材料道距工作面200m至出口处为冲击矿压高危区域，根据冲击矿压治理经验，结合现场实际，对该区域采取以下卸压措施。

1、大直径钻孔卸压。随着工作面的推进，当工作面进入上覆遗留保护煤柱，受上层煤遗留煤柱影响，形成应力高度集中，在高应力集中和存在动载荷的条件下，回采时极易发生冲击矿压灾害，加之本工作面覆岩运动影响，冲击危险较高，必须加强大直径钻孔卸压措施。除材料道外，在皮带机道实体煤一侧也应进行大直径钻孔卸压。大直径钻孔卸压参数:①钻孔间距1.6m，钻孔距巷道底板1.2-1.5m，平行煤层方向，垂直巷道煤壁;②钻孔深度15-20m;③钻孔直径110-125mm，钻孔单排布置;④皮带机道在实体煤侧实施，材料道在两帮实施。

2、顶板爆破。材料道一侧煤柱区下方巷道受煤柱应力集中、向斜轴构造应力、侧向实体煤自重应力等因素的影响，加之工作面的来压扰动，冲击危险性高于皮带机道一侧，因此，对材料道煤柱影响区顶板采取处理措施，以降低工作面老顶的周期来压步距和顶板活动剧烈程度，采用顶板爆破进行解危。顶板深孔爆破的孔深主要取决于采空区悬顶厚度，要求能够达到顶板岩层的一半以上，顶板厚度不大时，最好能够整层贯穿，爆破孔布置及装药量一般根据顶板岩性和眼深等具体条件确定。炸药应采用煤矿许用炸药，剩余炮眼全部用炮泥封孔，反向装药，每孔均匀布置2-3个同段毫秒延时电雷管，孔内并联连线，孔间串联连线。对A工作面地质特征，对工作面上方的16.35m的砂岩顶板实施整层贯穿爆破，炮眼布置在材料道两侧。第一组钻孔布置在距离上层停采线向外100m处，以后间隔5m布置一组钻孔，爆破参数如下:①炮眼深度17m，炮眼直径42mm;②每孔装药6kg，长度8m，剩余部分封满水炮泥;③仰角为75°，倾角为45°;④爆破采用煤矿安全许用水胶炸药、毫秒延期电雷管配合发爆器起爆;⑤采用正向装药，每孔均匀布置2-3个同段毫秒延时电雷管，孔内、孔间均为串联连线，每次起爆2-3组。

3、效果分析。利用SOS微震监测系统对卸压后某时段一周内数据进行统计，与卸压前数据对比结果见表。

从表中可以清晰的发现，卸压后不管是矿震信号的个数还是能量，都比卸压前有明显的减少。利用这些震动信号再次对A工作面进行CT反演，得到结果卸压后两巷附近的大震动信号明显减少，在外围巷道附近有小范围的能量集中现象，与卸压前相比，应力异常指数较高的区域显著减少，只在材料道出口附近出现，而在皮带机道一侧，应力异常区域已经消失;且该时段煤粉量监测未出现超标现象，偶尔有吸钻现象发生;两巷支护质量明显好转，巷道底鼓量减少。无论从理论分析还是现场实践来看，爆破及大直径钻孔在巷道周围形成的松散结构，能够使遗留煤柱区域的应力得到有效释放。但是，随着巷道周围松散岩体的逐渐压实，岩体又会重新作用在巷道上，形成高应力区域，容易诱发冲击矿压事故。因此，卸压措施并非一劳永逸，应始终将监测与治理结合起来，通过划分危险区域—卸压治理—监测—划分危险区域—再治理的办法，始终保持遗留煤柱区域的压力得到有效及时的释放，才能保证工作面的安全回采。

结论

(1)通过SOS微震监测系统与MINESOSTOMO震动波CT反演软件相结合，能够准确绘出工作面应力分布云图，从而确定冲击危险区域，同时可以对卸压效果进行检验。

(2)顶板卸压爆破与大直径钻孔相结合，在巷道周围形成松散结构，对岩体应力的释放提供了空间。深部巷道承受静载荷大，一两次的卸压不能将压力完全释放，应当将监测与治理相结合，形成冲击矿压动态防治体系，始终保持应力有效及时的释放。

(3)通过对该工作回采期间的矿压观测、分析及采取的卸压措施，为条件相似的深部遗留煤柱下的工作面安全回采提供了理论和实践依据。

参考文献

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