沖擊地壓預(yù)測、防治技術(shù)的應(yīng)用

　　山東能源臨礦集團(tuán)古城煤礦

　　(2012年5月9日)

　　尊敬的煤監(jiān)局各位領(lǐng)導(dǎo)：

　　上午好!首先感謝省煤監(jiān)局提供了這次兄弟單位之間相互學(xué)習(xí)交流的機(jī)會，根據(jù)會議安排，我把古城煤礦的基本情況和防沖工作開展情況匯報如下：

　　一、礦井概況

　　古城煤礦是臨礦集團(tuán)在濟(jì)寧礦區(qū)建設(shè)的第一對礦井，也是受沖擊地壓威脅嚴(yán)重的礦井。礦井于2001年1月投入生產(chǎn)，核定生產(chǎn)能力為220萬噸/年。礦井采用立井、暗斜井多水平開拓方式，地面標(biāo)高+50米左右，共分三個水平，第一水平-505米，第二水平-850米，第三水平-1030米。目前第一水平已回采完畢，第二水平剩余可采儲量不足20萬噸，主要生產(chǎn)水平為三水平，最大采深超過1200米，開采工藝為條帶式綜采放頂煤。

　　礦井主采煤層為二迭系山西組3煤，平均煤厚8.5米。根據(jù)二水平和三水平的煤巖層沖擊傾向性鑒定結(jié)果，3煤為強(qiáng)沖擊傾向性煤層，其頂?shù)装鍨槿鯖_擊傾向性巖層。通過對鉆孔資料分析，距3煤360米以上有一層60～80米厚的侏羅系紅色細(xì)粒砂巖，440米以上有一層70～114米厚的中粒砂巖，經(jīng)專家分析，巨厚堅硬巖層的彎曲、斷裂是形成沖擊地壓或礦震的根源。

　　礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層多，至今共揭露斷層300多條，沖擊地壓的發(fā)生也與斷層存在一定的聯(lián)系。

　　二、防沖工作開展情況

　　古城煤礦自2004年發(fā)生沖擊地壓以來，礦井即把沖擊地壓防治作為全礦安全生產(chǎn)的中心工作來抓。幾年來，我們根據(jù)防沖要求，積極健全防沖組織機(jī)構(gòu)，不斷加大資金投入，引進(jìn)先進(jìn)監(jiān)測設(shè)備，開展科技攻關(guān)，逐步完善防治措施，沖擊地壓防治能力穩(wěn)步提高。

　　一是強(qiáng)化防沖隊伍建設(shè)，健全防沖組織機(jī)構(gòu)。古城煤礦成立了以礦長為組長，總工程師、分管副礦長為副組長，相關(guān)專業(yè)副總工程師與部門負(fù)責(zé)人為成員的沖擊地壓防治工作領(lǐng)導(dǎo)小組，下設(shè)防沖辦公室，設(shè)專職防沖副總工程師，防沖辦共編制47人，負(fù)責(zé)監(jiān)測監(jiān)控、沖擊危險區(qū)劃定、編制防沖措施、大直徑鉆孔卸壓、鉆屑檢驗和其它卸壓解危工作。

　　二是建章立制，落實責(zé)任。為保證沖擊地壓防治工作的有效開展，礦印發(fā)了《古城煤礦防治沖擊地壓實施意見》，理順了防沖責(zé)任體系，健全了防沖工作安全責(zé)任制，對礦長、分管副礦長、總工程師及各級人員的防沖責(zé)任進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，明確了各相關(guān)部門的職責(zé)，對各部門相互協(xié)作進(jìn)行了具體要求。

　　三是加大資金投入，配齊防沖設(shè)備。為滿足防沖需求，古城礦于2007年引進(jìn)波蘭“SOS”微震監(jiān)測系統(tǒng)，目前在1317工作面、3203皮帶順槽各安裝一套沖擊地壓實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng);同時配備了深孔鉆車兩臺、架柱式鉆機(jī)7部、手持式鉆機(jī)12部，卸壓鉆具滿足防沖需要。

　　四是超前分析論證，嚴(yán)抓措施落實。針對礦井沖擊危險逐步增大的實際，在委托北京科技大學(xué)編制32采區(qū)防沖設(shè)計的基礎(chǔ)上，又對3203、3205、3301工作面的沖擊危險進(jìn)行單獨(dú)論證，根據(jù)評價結(jié)果，制定專項防沖措施，通過嚴(yán)格按照設(shè)計布置工作面、加大掘進(jìn)斷面、加強(qiáng)掘進(jìn)巷道主動支護(hù)、大鉆孔卸壓、保持工作面合理開采順序等手段，有效降低了動力災(zāi)害的發(fā)生。

　　三、沖擊地壓預(yù)測、防治技術(shù)的應(yīng)用

　?、?SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)

　　隨著礦井沖擊地壓隱患的日趨凸顯，為進(jìn)一步豐富監(jiān)測手段，古城煤礦于2007年7月安裝波蘭礦山研究總院的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠監(jiān)測礦山井下開采引起的震動事件。

　　應(yīng)用效果：

　　1、能定位震動事件的平面位置和深度，通過分析，宏觀劃定危險區(qū)，是一種通過微震事件綜合分析判定危險區(qū)域的監(jiān)測方式。

　　2、每天成圖，直觀顯示震動事件的時間、平面位置和具體標(biāo)高，大致推斷3煤上覆高位關(guān)鍵巖層的運(yùn)動情況，評估可能發(fā)生礦震的危險性。

　　3、通過對微震事件的分析，判定周期來壓規(guī)律，預(yù)報因周期來壓引發(fā)沖擊地壓的危險。以古城礦2109工作面為例，由于工作面支架工作阻力為4600KN，相對較小，周期來壓顯現(xiàn)時，支架活柱下縮明顯，采高不足，礦山壓力作用于煤幫上，導(dǎo)致煤壁片幫甚至架前冒頂，超前應(yīng)力波及范圍廣，兩巷礦壓顯現(xiàn)明顯，易導(dǎo)致因周期來壓誘發(fā)沖擊地壓的危險。微震監(jiān)測系統(tǒng)能捕捉周期來壓前、后礦山壓力由集中到減弱的過程，根據(jù)微震事件分布圖中微震事件的分布特點(diǎn)，對震動事件密集區(qū)域及時采取鉆屑法檢驗，如果存在應(yīng)力集中，則立即進(jìn)行鉆孔卸壓或加強(qiáng)支護(hù)、放緩?fù)七M(jìn)度等防治措施。

　　4、使用微震監(jiān)測系統(tǒng)大能量震動事件的統(tǒng)計功能，結(jié)合工作面推進(jìn)情況，通過分析大能量震動事件發(fā)生的平面位置及深度，能基本判定高位關(guān)鍵巖層垮落步距，預(yù)測礦震危險。因此我們可以在工作面推進(jìn)到預(yù)測的位置前，有針對性的防范因高位關(guān)鍵層的垮落而引起的礦震動力災(zāi)害。

　?、?沖擊地壓實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

　　2009年10月在2103工作面安裝應(yīng)用了北京科技大學(xué)研制的沖擊地壓實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以連續(xù)監(jiān)測兩條順槽一定范圍的煤層相對應(yīng)力變化為基礎(chǔ)，通過應(yīng)力變化實時監(jiān)測和設(shè)定的預(yù)警數(shù)值，以云圖和柱狀圖的形式直觀顯示應(yīng)力集中程度，對工作面的動力災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，判斷危險區(qū)域。目前在1317工作面和3203工作面周邊巷道各安裝一套監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)正常運(yùn)行。

　　1、系統(tǒng)安設(shè)情況

　　首先在兩順槽工作面前方10m處開始布置鉆孔應(yīng)力計，每條順槽最多可安設(shè)15組應(yīng)力計，應(yīng)力計垂直煤壁方向布置，每兩個為一組，長度分別是12m和17m，每相鄰兩組之間的距離為25m，鉆孔直徑45mm。

　　應(yīng)力計所監(jiān)測的范圍為工作面前350m，根據(jù)巷道布局特點(diǎn)和應(yīng)力分析結(jié)果，決定應(yīng)力計安設(shè)在工作面?zhèn)然蛎褐鶄?cè)，隨著工作面的回采，最靠近工作面的一組撤換到最遠(yuǎn)一組的后面，以此不斷往復(fù)循環(huán)。

　　測點(diǎn)布設(shè)平面圖

圖16 鉆孔應(yīng)力計布置平面圖

　　鉆孔應(yīng)力計布置平面圖

　　2、主要功能及優(yōu)點(diǎn)

　?、?監(jiān)測超前應(yīng)力的波及范圍，隨著工作面的連續(xù)推進(jìn)，通過在現(xiàn)場安裝的各組應(yīng)力計的讀數(shù)變化情況來直觀推斷超前應(yīng)力的波及范圍。

　?、?根據(jù)本系統(tǒng)的監(jiān)測情況，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)通過黃色甚至紅色預(yù)警進(jìn)行警示，則立即實施二次卸壓解危工作。

　?、?監(jiān)測結(jié)果顯示直觀，地面監(jiān)測主機(jī)顯示器通過監(jiān)測云圖和柱狀圖的形式顯示現(xiàn)場應(yīng)力變化情況。

　?、?由于該系統(tǒng)實現(xiàn)了對沖擊危險區(qū)的連續(xù)監(jiān)測，全面替代了電磁輻射儀的各項功能，我礦自該系統(tǒng)正常運(yùn)行后，已不再使用電磁輻射儀。

　　地面主機(jī)顯示界面

　　組應(yīng)力變化曲線查詢界面

　　各通道應(yīng)力變化數(shù)據(jù)查詢界面

　　㈢ 微震、實時監(jiān)測系統(tǒng)以及鉆屑(孔)法監(jiān)測相結(jié)合的綜合監(jiān)測體系

　　依據(jù)微震、沖擊地壓實時監(jiān)測系統(tǒng)判定出危險區(qū)域后，再利用打鉆孔的方式進(jìn)一步檢驗應(yīng)力集中程度，檢驗采用大鉆孔施工，起到既檢驗又卸壓的效果。

　　依據(jù)微震監(jiān)測系統(tǒng)和沖擊地壓實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的應(yīng)力集中情況，對危險區(qū)每5～10m打一監(jiān)測卸壓孔，孔徑110mm，深度20m，通過鉆進(jìn)過程的卡鉆、吸鉆、煤炮等動力顯現(xiàn)情況，結(jié)合煤粉量情況，檢測礦山壓力集中程度，若存在應(yīng)力集中，再加密鉆孔，如果加密鉆孔仍不能解除煤體高應(yīng)力，則需要實施爆破卸壓，直至應(yīng)力消除。

　　四、防治沖擊地壓的有效形式

　?、?巷道布局方面：優(yōu)化采掘布局，合理安排采掘順序，從源頭上避免形成應(yīng)力集中區(qū)。省內(nèi)外多起沖擊地壓事故證實，在布局不合理的應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行采掘活動，極易發(fā)生沖擊事故。古城煤礦通過優(yōu)化采掘設(shè)計，精確計算工作面采寬和留寬，巷道布置在應(yīng)力集中區(qū)以外，并合理安排采掘順序，避免相向作業(yè)，同向推進(jìn)的工作面保持一定的錯距等，有效降低了防沖難度。

　　㈡ 監(jiān)測方面：微震監(jiān)測系統(tǒng)通過對采掘活動微震事件的定位，宏觀劃定了危險區(qū)域，沖擊地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)有效監(jiān)測了工作面兩順槽超前一定范圍的應(yīng)力變化，再利用鉆孔進(jìn)行驗證，基本摸清了應(yīng)力集中區(qū)域和集中程度。

　?、?治理方面：以鉆孔卸壓為主、爆破卸壓為輔的卸壓方式，使應(yīng)力集中區(qū)域向巷道周邊煤體深部轉(zhuǎn)移，避免了沖出式災(zāi)害的發(fā)生，保護(hù)了巷道人員、設(shè)備的安全;沖擊危險區(qū)域進(jìn)一步增加支護(hù)強(qiáng)度，掘進(jìn)巷道加大主動支護(hù)強(qiáng)度，回采工作面兩順槽采用懸浮式支柱、加大超前支護(hù)長度、支柱聯(lián)鎖防歪斜等，增強(qiáng)巷道抵御沖擊的能力。

　　㈣ 管理方面：防沖重點(diǎn)工作面限制推進(jìn)速度，移動變電站避開危險區(qū)存放，材料、設(shè)備的固定以及重點(diǎn)危險區(qū)域限制行人，重點(diǎn)崗位的個體防護(hù)等。

　　五、防沖工作存在的不足和技術(shù)難題

　　㈠ 采煤工作面超前支護(hù)方式仍存在薄弱環(huán)節(jié)。總結(jié)古城煤礦發(fā)生的破壞性沖擊地壓中，近一半發(fā)生在回采工作面兩順槽距采煤工作面10～35m范圍內(nèi)，所以回采工作面防沖的重點(diǎn)是兩順槽超前支護(hù)范圍段。目前礦井兩順槽超前支護(hù)仍以單體支柱支護(hù)為主，通過以往發(fā)生的沖擊地壓來看，該支護(hù)方式抵御沖擊能力較差。

　　古城煤礦曾在2008年使用過超前支架，由于該支架在移動過程中的頻繁升降，破壞了巷道的原有支護(hù)，再加上深井巷道斷面回縮量大，現(xiàn)場適應(yīng)性較差的弊端比較明顯，使用效果一般。

　?、?煤層注水不到位。3煤孔隙率小，注水難度大，使這一既防沖又防塵的手段未能充分發(fā)揮作用。

　?、?監(jiān)測預(yù)報無法實現(xiàn)定量監(jiān)測預(yù)報，預(yù)報準(zhǔn)確率較低，微震監(jiān)測分析尚不到位。

　　六、下一步工作打算

　　2012年后，古城煤礦全面轉(zhuǎn)入三水平開采，最大采深超過1200米，防治沖擊地壓的難度進(jìn)一步增大。今年3月，古城煤礦成立了三水平防治沖擊地壓技術(shù)攻關(guān)課題組，針對如何實現(xiàn)三水平大采深、高地壓條件下的安全開采，避免發(fā)生破壞性沖擊地壓進(jìn)行專題攻關(guān)，以實現(xiàn)礦井不發(fā)生破壞性沖擊地壓的目標(biāo)。

　?、?進(jìn)一步優(yōu)化巷道布局，合理安排采掘順序

　　優(yōu)化巷道布置方式，合理安排采掘順序，避免形成孤島采煤、相向采掘;開拓巷道、硐室盡量布置在堅硬巖層中，以降低沖擊危險，從源頭上避免形成應(yīng)力集中區(qū)。

　?、?轉(zhuǎn)變卸壓方式，提高卸壓質(zhì)量

　　依靠專業(yè)防沖隊伍，借助熟悉鉆具和施工技巧、落實快、效果到位的優(yōu)勢，逐步實現(xiàn)由回采期間卸壓向掘進(jìn)期間卸壓的轉(zhuǎn)變，既避開與回采生產(chǎn)的相互影響，又提高深部巷道掘進(jìn)過程的安全保障水平。

　?、?嘗試煤體注水，增強(qiáng)卸壓效果

　　根據(jù)3205工作面的煤體孔隙率實驗證明，煤體的孔隙率僅為3.5%，煤體硬脆，極易發(fā)生沖擊;且煤塵大，尤其是發(fā)生沖擊瞬間煤塵濃度高，存在引發(fā)次生事故的隱患，也損害職工身體健康。下一步，依賴專業(yè)防沖隊伍，進(jìn)一步探索煤體注水措施，盡最大努力的做好注水工作，將采煤工作面兩順槽鉆孔卸壓與煤體注水相結(jié)合，進(jìn)一步研究注水工藝，采取靜壓與高壓相結(jié)合、多輪注水工藝，充分濕潤煤體，改變煤的物理力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到既卸壓又防塵的目的。

　　沖擊地壓是困擾古城煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害，古城煤礦按照自身的情況，進(jìn)行了一些探索和嘗試，但也存在著許多的不足，我們希望通過此次會議，能夠向各兄弟單位學(xué)習(xí)更加先進(jìn)的經(jīng)驗和技術(shù)，也希望在座的各位領(lǐng)導(dǎo)多提寶貴意見和建議。

　　謝謝大家!