胡家河矿401102综放工作面超前卸压效果评价
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作者: 王耀楼 田晓兵 胡沛
摘要：彬长胡家河矿是关中地区首个出现强动力灾害的矿井。文章研究了厚煤层综放开采冲击矿压防治技术，通过分析胡家河矿401102工作面矿压显现的特征，对其采取的顶板预裂爆破、帮部大孔径卸压和爆破卸压、底板大孔径卸压等解危措施进行效果评价，结合数值模拟研究得出超前解危措施的有效性，为矿井冲击矿压治理提供了实践经验。
关键词：综放工作面；集中应力；超前卸压；预裂爆破；强动力灾害 文献标识码：A
中图分类号：TD323 文章编号：1009-2374（2016）09-0155-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.076
1 矿井及工作面概况
胡家河矿地处陕北黄土高原与陇东黄土高原结合的塬梁沟壑区，隶属于陕煤彬长矿业集团，于2008年开工建设，2012年建成投产，设计生产能力500wt/a。主采煤层4#煤，煤层厚度为0.6～27.18m，一般为10～15m，开采深度约为640m，为深埋特厚煤层。该矿是陕西关中地区首个出现强动力灾害的矿井。401102工作面为胡家河矿首采工作面，煤层平均厚度为23m，倾角为3°～5°，采用分层综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。401102工作面倾向长度为180m，走向长度为1496m，回采主要巷道均布置在煤层中，采用多巷布置，即运输巷、回风巷、泄水巷、高抽巷，形成“一面四巷”的开采布置方式。工作面开采煤层厚度为13m，割煤为3.5m，放煤为10m，采放比为1∶2.8。
2 回采期间矿压显现特征
2.1 矿压显现特征
401102工作面按3.2m/天匀速回采，回采至约210m时，工作面回风巷、泄水巷出现了强烈的动力显现，“煤炮”频繁，巷道顶板下沉、断面收缩、底鼓、锚索破断、巷道支护结构严重破坏。根据现场实测数据，顶板下沉量达750～900mm，底鼓量最大达到700mm。根据矿压监测结果，工作面回采前200m期间顶板来压特征及支架工作阻力见表1所示：
表1 胡家河矿401102工作面来压强度特征
来压次序 初次
来压 周期来压
1 2 3 4 5 6 平均
来压步距/m 45 32 33 30 28 27 27 30
P老/kN 10900 9987 10098 10795 11975 12198 12576 11218
P平/kN 9120 8196 8190 8278 8356 8409 8598 8450
n 1.20 1.22 1.23 1.30 1.43 1.45 1.46 1.33
注：P老――老顶周期来压时支护阻力平均值，kN；P平――老顶非周期来压时支护阻力平均值，kN；n――动载系数，等于P老与P平之比值。
由表1知，工作面回采前210m期间，顶板周期来压步距平均为30m，支架动载系数最大为1.30，相对于放顶煤工作面而言，支架的动载系数并不大，支架运行平稳；自第3次周期来压之后，顶板来压步距有所减小，支架工作阻力逐渐增大，最大工作阻力达12576kN，动载系数明显增大，最大为1.46，矿压显现剧烈。据现场生产实际，第3次周期来压之后，回顺、泄水巷超前200m范围内“煤炮”频繁，巷道底鼓，超前支护段前顶板最大下沉量达到900mm。
2.2 超前支承压力分布规律
采煤工作面超前支承压力分布规律是预测及防治冲击矿压的主要依据之一。结合401102工作面地质条件及生产实际，采用FLAC/3D数值模拟研究超前支承压力分布规律。围岩本构模型采用摩尔-库伦模型，回采期间围岩应力分布见图1所示：
图1 401102工作面回采期间围岩应力分布图
通过数值模拟可知，回顺侧超前支承压力集中系数最大约为1.8，压力峰值距工作面煤壁约为10m，其影响范围为70m左右。
3 冲击地压治理解危措施
3.1 顶板预裂爆破
巷道顶板预裂爆破可以减少顶板对支架和煤体的压力，即将煤层顶板破断，从而降低岩体强度，释放顶板因压力而聚集的能量，减小顶板在变形过程中对煤层和支架的冲击振动。施工技术方案为：在回顺超前架前泄水巷侧实施顶板深孔预裂爆破卸压，孔径为75mm，每5m布置一个钻孔，方位角为270°，孔深为45m，单排布置，与水平方向成75°夹角，每孔装药为40kg，装药长度为17m，正向装药，全部封孔，孔间距为5m，施工示意图见图2所示：
图2 顶板预裂爆破钻孔施工示意图
3.2 帮部卸压措施
帮部卸压可最大限度地释放积聚在帮部煤体中的弹性能，在巷道帮部形成破坏区，使压力升高区向煤体深部转移。施工技术方案：从超前工作面60m开始在回风巷两帮实施大孔径卸压，进一步降低煤体应力集中程度，转移应力峰值，降低静载力源。帮部大孔径卸压钻孔长度为10m，孔径为113mm，钻孔倾角为-60°，方位角为90°、270°，封孔长度为3m，孔间距为1.4m。帮部爆破卸压钻孔长度为10m，垂直巷帮，孔径为42mm，装药量3kg，封孔长度为5m，孔间距为5m。
3.3 底板卸压措施
底板采用大孔径卸压措施，施工技术方案：从401102工作面回顺超前架前施工大孔径卸压钻孔，卸压方位角为90°和270°，卸压孔孔径为113mm，孔深为10m，封孔深度为3m，孔间距为1.4m，施工示意见图3所示：
图3 底板卸压孔施工示意图
4 解危措施效果评价
401102工作面回顺采取了顶板预裂爆破卸压、帮部大孔径及爆破卸压、底板大孔径卸压措施后，继续按3.2m/天匀速回采，在此过程中共监测6次周期来压。 由上分析可知，在401102工作面采取爆破及大孔径卸压措施后，顶板周期来压步距减小，一般为22～26m，平均为23.5m，来压期间支架最大工作阻力减小，平均为11568kN，支架的平均工作阻力有所上升，为9558kN，动载系数平均为1.22，支架运行相对平稳，矿压显现有所缓和。通过数值模拟研究对采取卸压措施后工作面回采过程中的超前支承压力进行分析得出：工作面超前支承压力峰值减小，应力集中系数最大为1.38，峰值点前移至超前煤壁14m，影响范围扩大至超前工作面100m范围内。卸压后围岩应力分布图见图4所示：
图4 卸压后围岩应力分布云图
综合以上分析：顶板预裂爆破卸压之后，作为承载上覆岩层应力关键层的老顶极限破断跨距有所减小，这是顶板周期来压步距减小的主要原因。随着工作面的回采，围岩应力不断向煤体深部转移，因卸压措施卸压造成的破坏使煤体应力释放、转移，其集中程度明显降低，从而使支架的动载系数减弱，支架运行较卸压之前平稳。超前支承压力峰值降低，前移至超前工作面13～16m，其影响范围扩大，主要影响区域分布在煤壁超前8～60m，影响范围扩大至超前工作面120m范围内。
从现场实际来看，直接顶悬顶距离减小，一般为6～12m，直接顶呈现规律性垮落。老顶周期来压步距为22～26m，平均为23.5m，周期来压期间“煤炮”频次减少，矿压显现有所缓和，卸压效果比较明显。
5 结语
胡家河矿401102工作面顶板预裂爆破、帮部打孔径及爆破及底板大孔径卸压等解危措施，效果明显，基本达到了冲击地压治理的目的。
（1）胡家河矿401102工作面煤层具有强冲击倾向，其主要因素是煤岩体应力集中使煤层顶板岩层突然破断和发生位移而引发的；（2）顶板预裂爆破释放了煤层上覆岩层集中应力，降低了顶板岩体强度，减小了顶板破断和移动时对煤体的冲击振动。相对于卸压之前，顶板周期来压步距减小，支架动载系数减小，支架运行平稳，超前支承压力向煤体深部转移，峰值降低，但影响范围扩大，建议401102工作面在回采期间需加强超前100m范围巷道顶板及帮部支护，以免在卸压过程中诱发冲击地压造成巷道破坏及人员伤亡；（3）在巷道帮部实施大孔径卸压和爆破卸压进一步释放了煤体内部的弹性能，在巷道帮部煤体内形成破坏区，使应力升高区转向煤体深部，但帮部卸压措施在降低煤体强度，形成煤体破碎区的同时也可能诱发冲击矿压的危险，造成突发性片帮或冒顶，建议帮部卸压需在超前工作面150～200m施工，并加强超前支护，采取“强卸强支”；（4）在巷道底板实施大孔径卸压措施破坏了巷道底板的完整性，并释放巷道底板积聚的能量，基本消除了应力升高区，底鼓现象基本消除。
参考文献
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作者简介：王耀楼（1963-），男，陕西韩城人，陕煤彬长胡家河矿业有限公司安全监督管理部采矿工程师，研究方向：煤矿安全管理。
（责任编辑：秦逊玉）
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