梁宝寺煤矿下孤岛工作面特厚煤层综放工作面冲击地压防治技术

梁宝寺煤矿下孤岛工作面特厚煤层综放工作面冲击地压防治技术

13201下一步剖面1.1工作面分布、工业模型3201下工作面位于梁宝寺-708m水平320m采区顶部。该工作面位于3201和3202的广泛采样表面上。3201和3202的两个工作面被回收并形成一个孤岛（见图1）。3201下工作面走向长918m,倾斜长140m,可采储量7.6万t;地面标高+36.4~+39.5m,工作面标高-555.4~-616.5m。工作面煤层厚2.4~3.4m,平均2.73m,结构复杂,f=1.8;煤层倾角5~13°,平均8°。直接顶为粉砂岩,厚0~4.3m,平均1.0m;老顶为中砂岩,厚4.1~30.76m,平均22.1m。直接底为粉砂岩,厚0.45~11.95m,平均6.1m;老底为中砂岩,厚6.1m(见图2)。工作面构造以褶曲为主,自东向西依次为:梁宝寺向斜、黄河李背斜、申庄向斜。1.2冲击危险指数工作面煤层具有强冲击倾向性。(1)工作面冲击危险综合指数评价。工作面地质因素影响下的冲击地危险性指数Wt1=0.84,具有强冲击危险;工作面开采技术条件影响下的冲击地危险性指数Wt2=0.54,具有中度冲击危险。冲击危险指数Wt={Wt1,Wt2}=0.84,具有强冲击危险。(2)工作面冲击危险可能性指数评价。工作面平均开采深度650m左右,两侧为采空区,工作面移动支承压力应力集中系数为2.5,最大应力39.375MPa,煤层单向抗压强度为19~24MPa,其比值达到了2.07,已远远大于发生冲击地压的基本应力允许。煤层的弹性能指数WET=5.97~10.07,具有强冲击倾向性。工作面发生冲击地压的可能性指数U=1.0,具有冲击危险。1.3空区顶板配套工作面采用综采工艺,一次采全高,全部陷落法管理采空区顶板。“三机配套”型号:MGTY400/930-3.3D型双滚筒电牵引采煤机;ZZG6800/23/35型液压支架;SZG800/800型中双链刮板输送机。2影响地压的触发因素分析2.1中砂岩层分析3201下工作面综合柱状图,3煤层顶板组合存在坚硬厚岩层,即中砂岩,平均厚22.1m;且直接顶厚度变化较大,局部煤层直接顶即为老顶坚硬中砂岩层。因此,在工作面开采过程中,存在顶板易形成悬顶进而聚积大量弹性能的可能,有突然释放导致顶板发生冲击的隐患。2.2冲击地压的发生机理工作面构造以褶曲为主,自东向西依次为:梁宝寺向斜、黄河李背斜、申庄向斜,且有三条较大断层(Zf2-28、29,Zf3-30,落差均为0~3m)。一般在向斜的翼部附近会造成煤、岩应力局部集中。在一定开采条件下,褶曲构造附近易发生冲击地压事故。断层活化是岩层运动的一种特殊形式,断层处岩层的不连续性导致断层本身不稳定,在高应力作用下,断层较完整岩层先行运动,随工作面推进,其超前支承压力的影响范围不断向前发展,当到达断层影响区域后,断层本身构造应力与工作面超前支承压力形成叠加,使断层附近的支承压力增高,重新分布,当满足冲击条件时,可以诱发冲击地压;根据一般实践经验,在工作面前方存在断层的情况下,当工作面距离断层20~40m时,最容易诱发冲击地压。2.3工作面冲击地压3201下工作面最大开采深度超过700m,工作面周围影响矿山压力显现程度的岩层运动空间已经超出了直接顶和老顶的范围。工作面推进过程中,随着覆岩空间结构的变化(如出现应力叠加而产生应力集中),可能诱发冲击。由于3201下工作面两侧为采空区,因此工作面在推采一段距离后,三个采空区会形成典型的“C”型覆岩空间结构,该结构会随着工作面的推进而向前方不断移动,在特定条件下可发生冲击地压。在工作面坚硬老顶初垮、初压,采空区一次、二次见方过程中极易诱发冲击。2.4煤柱卸压过程中应力集中分析工作面平面图可知,当工作面推采到3202和3201工作面采空区附近时,受采空区的影响,导致该煤柱应力集中,在回采到该区域时,如果不采取卸压措施,很容易发生应力集中,可能诱发冲击。在“刀把”位置处的巷道,会形成孤岛中的孤岛,造成开采过程中的高应力叠加(见图3)。3面漆技术的重点肥矿集团、梁宝寺煤矿与北京科技大学联合,对3201下孤岛工作面进行了冲击倾向性评价及专题防冲技术措施研究。3.1留设煤柱的方案按照防冲临界设计原则,综合工作面煤层厚度、开采深度及巷道宽度,计算确定3201下工作面两顺槽与两侧采空区留设净煤柱宽为4.5m。实践证明,该煤柱设计较为合理,既能最大限度发挥支撑能力,又合理避免了冲击隐患。为增加沿空煤柱的支撑能力,在煤柱一侧帮部采用了注浆锚杆加固支护技术。3.2断顶爆破、封孔工作面开采前,在切眼内施工2排断顶孔,距切眼两帮2m各施工1排。断顶孔直径75mm,孔深12m,仰角60°,间距4.5m。断顶爆破采用水胶炸药,每三块水胶炸药绑扎为一捆,沿爆破孔顺序装填,每0.5m放置一雷管,段号一致,每孔装药长度6m,每孔共计装药量90块×150g/块=13500g;封孔采用水炮泥配合粘土炮泥。首次爆破1孔(靠近顺槽1号孔),其它依次爆破,每3个孔为一组爆破。通过深孔爆破,有效释放了工作面悬顶造成的顶板能量积聚。3.3工作面压力解危措施3201工作面初次来压步距为59m,周期来压步距为27~30m,超前支承压力影响范围约90~110m,峰值影响区位于工作面前方约30~45m。因此,受超前支承压力影响,预留煤柱宽度应大于90m(3202工作面采空区西侧45m与3201工作面东侧45m),考虑1.2倍的安全系数和中间巷影响(巷宽4.5m),预留煤柱宽度应大于112.5m。同时考虑侧向支承压力影响范围,根据计算,3202采空后侧向支承压力影响范围为90~110m,峰值影响范围约50m,因此,3201工作面开采后,会导致整个中间巷均处于侧向应力影响范围内。尤其在中间巷轨顺以里50m附近应力达到最大,矿压显现明显。综合分析,最终确定“刀把”区煤柱留设120m(见图4)。同时研究制定了严密监测、预卸压、解危措施及应急预案,重点:(1)在线监测预警,在工作面轨顺、新开轨顺、中间巷埋设应力计,当发生黄色或红色预警时,采取必要卸压措施。反复卸压仍不能降低应力值时,停止推采;(2)动力显现,推采过程中出现明显的动力现象,如震顶、大煤炮、锚杆(索)崩断、巷道大变形,降低工作面推采速度,必要时停止推采;(3)巷道支护,在进入160m煤柱区后,新开轨道巷、轨道巷、中间巷位置应加强支护,确保足够的支护强度;(4)停采缩面,工作面到达停采线后,局部撤面期间,强矿压观测,发现异常及时进行卸压处理,必要时立即撤人;(5)严格限员,制定严格的限员管理措施,尤其在工作面割煤和停采撤面期间,对轨道巷、新开轨道巷和中间巷实行严格限员。3.4锚点卸压孔间距超前工作面300m,施工两顺槽卸压孔;超前工作面400m对“刀把”煤柱区施工卸压孔。钻孔直径110mm,顺煤层倾角,布置于底板以上1.2~1.5m。卸压孔间距按“1、2、3”原则施工,即:未划入危险区域块段和一般危险区内卸压孔间距3m,钻孔深度18m;中度危险区内孔间距2m,钻孔深度18m;高度危险区内孔间距1m,钻孔深度20m。同时超前500m对过断层等留底煤巷道段进行底板充分卸压,卸压孔进入直接底板至少0.5m,并进行注水浸润。3.5有效监测,提升联动安装冲击地压在线监测系统及微震监测系统,保持对工作面前方300m范围内实施有效监测。为确保给卸压解危留有安全施工时间,对黄色及红色预警值均降低一个量级设定,提升一个级别预警,切实做到“重点于防”——黄色预警必须解危。同时,缩短煤粉钻监测时间间隔,提高监测检验时效。3.6分析解危在工作面推采至“刀把”煤柱区附近时,监测应力明显集中、叠加,冲击危险程度上升。随机列举解危实例如下。(1)2013年4月5日23:40,工作面推采至626m(含切眼),工作面轨顺在线监测第二组8m应力计距工作面20m,压力上升至10.00MPa,黄色预警,压力有持续上升迹象。遂安排在轨顺在线监测第二组8m应力计两侧预警区域施工卸压孔进行解危,孔间距0.8m,孔深18m,并适时进行注水处理,安全解危(见图5)。(2)2013年4月7日23:31,工作面推采至631m(含切眼),工作面轨顺在线监测第二组8m应力计距工作面15m,压力上升至10.34MPa,黄色预警,压力有持续上升迹象。遂安排在轨顺在线监测第二组8m应力计两侧预警区域施工卸压孔进行解危,孔间距0.8m,孔深18m,并适时进行注水处理,安全解危(见图6)。(3)2013年4月8日7:40,工作面推采至631m(含切眼),工作面新轨顺在线监测第十四组8m应力计距工作面23m,压力上升至10.05MPa,黄色预警,压力有持续上升迹象。遂安排在新轨顺在线监测第十四组8m应力计两侧预警区域施工卸压孔进行解危,孔间距0.8m,孔深18m,并适时进行注水处理,安全解危(见图7)。4工作面冲击地压检测措施2014年3月31日,3201下孤岛工作面已安全回采完毕,生产原煤约45万t。在工作面煤层具有强冲击倾向,且大采深、孤岛、不规则“刀把”煤柱、褶曲及断层等特殊条件下,安全管理尤其是防冲面临极大压力条件下。通过深入研究论证开采条件,依靠科学监测解危技术、制定切合实际的防冲技术措施等有效手段,实现了防冲安全。(1)结合实际,深入研究工作面地质与技术条件,联合北京科技大学防冲技术团队认真研究制定3201下孤岛工作面冲击倾向评价及技术研究报告,为分析排查工作面冲击地压诱发因素与发生条件奠定基础。(2)基于防冲评价与防冲安全,进行工作面安全开采论证及设计,在巷道布置、切眼断顶、煤柱留设、强化支护、底煤处理、匀速推采等方面,研究制定了针对性详细措施,为防冲工作提供先决条件。(3)研究制定工作面冲击地压防治设计,特别针对“刀把”煤柱、褶曲构造等高度危险区进行了多次研究与论证,措施针对性较强,发挥了关键作用。(4)扩大监测范围,始终保持对工