千米冲击地压矿井大断面切眼掘进工作面贯通层位选择与实践.pdf

第 1 期2022 年 8 月铁法科技采矿工程千米冲击地压矿井大断面切眼掘进工作面贯通层位选择与实践大强煤矿王成斌孙特刘巍摘要大强煤矿为千米深井，煤层及底板无冲击倾向性，顶板具有强冲击倾向性。矿井冲击地压类型以断层构造型为主，为降低 0908 工作面切眼掘进贯通期间的冲击危险，提高切眼稳定性，为工作面设备安装创造有利条件，主动调整切眼层位，选择在煤层顶板岩石中掘进贯通，同时采取预卸压、小断面掘进贯通等措施保证了切眼掘进贯通的安全性。关键词千米冲击地压工作面大断面掘进贯通层位选择10908 工作面概况1.1工作面位置0908 工作面位于九采区西部，东邻 0901 采空区，南邻后备区，西邻 0907 工作面（未开拓），北邻-890 西翼轨道大巷、-900 西翼带式输送机大巷和-880 西翼回风大巷，与 0901 采空区间留设 60m 煤柱，工作面深度 999.41159.4m。如图 1 所示。1.2煤层及顶底板情况0908 工作面煤层厚度 7.5010.50m，平均厚度9.10m，纯煤厚 7.0010.20m，平均纯煤厚度 8.59m。煤层坚固性系数 0.61，煤层含夹矸 110 层，厚度0.202.14m，平均厚度 0.82m，岩性为泥岩、粉砂岩及团状黄铁矿岩。煤层直接顶为泥岩、灰质泥岩互层，平均厚度2.50m，基本顶为油页岩、粉砂岩、中砂岩互层、泥岩，平均厚度 55.0m。煤层直接底为泥岩，泥岩厚度0.251.30m，平均厚度 0.55m，基本底为中砂岩、粉砂岩、粗砂岩、泥岩互层，平均厚度 8.50m。1.3地质构造0908 工作面煤层呈一单斜构造，走向 61117，倾向 151207，倾角 1019。工作面以断裂构造为主，褶曲构造不发育。共发育有 17 条断层，均为正断层，落差小于 30m 大于等于 10m 的断层2 条；落差小于 10m 的断层 15 条，详见附表。图 10908 掘进工作面平面图窑窑31第 1 期2022 年 8 月铁法科技附表0908 工作面断层一览表1.4煤岩层冲击倾向性经煤炭科学技术研究院有限公司鉴定，煤层及底板岩石无冲击倾向性，顶板具有强冲击倾向性。20908 工作面切眼掘进层位选择原因当 0908 回风顺槽掘进至与 DF6号断层（H=29m）法线距离 50m 时，微震事件频次出现增长，法线距离 20m 时频次降低但单次事件能量上升，法线距离8m 时工作面连续出现四次大能量微震事件，最大事件能量 1.15E+5J，且工作面出现了震动、迎面煤体大量片落、圆形金属棚明显收缩等冲击显现情况，说明该断层附近区域为应力集中区，存在断层活化、构造应力突然释放的可能，如贸然掘进冲击地压风险较大。为避免 DF6号断层继续受掘进工作面扰动影响发生断层活化，引起冲击显现对安全生产造成威胁，经研究决定修改 0908 工作面设计，将开切眼位置提前，运输顺槽长度由原设计的 944m 修改至755m，回风顺槽长度由原设计的 955m 修改至775m，切眼在距断层法线距离 20m 位置拉门掘进，避让断层强影响区域，如图 2 所示。切眼平面位置确定后，掘进层位的选择成为亟需解决的关键问题。图 20908 工作面修改设计示意图3切眼掘进层位3.1切眼掘进层位选择分析1）掘进断面大：0908 工作面新切眼断面为直墙三心拱棚形，切眼宽高为 9.5m4.0m，巷道跨度大，掘进断面大，不易保持巷道稳定。2）埋深大：0908 工作面切眼深度 1159.4m，埋深大、岩层自重应力高，工作面处于高静载状态。3）断层影响：0908 工作面切眼附近发育有 DF6号断层，该断层受掘进扰动已出现了动力显现，存在强动载因素。综合分析，如切眼按照常规方式布置在煤层中时，掘进工作面至少具有中等冲击危险，且在高静载条件下，坚固性系数低、节理裂隙发育的煤层极易大面积片帮、掉顶，防冲措施施工难度大、有效性难以保证，不利于大断面掘进巷道的掘进施工和维护。3.2切眼层位选择切眼层位选择考虑的几方面因素：序号断层名性质产状断层位置推测延伸距离（m）倾向（）倾角（）落差（m）1DF27正53508工作面内4402DF30-4正254630.8工作面内203DF30正956813.5工作面内4284DF30-6-1正6060703工作面内1045DF30-6-2正61600.5工作面内206DF30-2正35527.18.0工作面内1297DF30-1正937015工作面内5878F6正135558工作面内4659F101正90471.5工作面内3010DF6-4-5正1758工作面内2011DF6-4-4正1751.5工作面内3012DF6-4-6正1700.5工作面内2013DF6-4-7正180700.5工作面内2014F6-1正99700.8工作面内3015F6-2正352602.5工作面内28216DF37正705工作面内23717DF27-1正7004工作面内101窑窑32第 1 期2022 年 8 月铁法科技1）规避大埋深、高静载、强动载影响，降低掘进期间切眼工作面的冲击危险性。2）围岩条件较好，有利于大断面条件下的巷道支护。3）能够实现掘进机快速施工，避免爆破作业产生强扰动，减少开挖到永久支护之间的临时支护时间，提升掘进作业安全性。4）有利于工作面安装和初采工作。根据上述因素分析，煤层直接顶板主要为泥岩，单轴抗压强度 34MPa，掘进过断层期间曾揭露该层位，岩石稳定性较好可规避冲击风险，能够减少安装期间巷道变形有利于设备安装，直接顶硬度不高能够使用综掘机快速施工，巷道底板沿煤层顶板施工，煤层自然倾角 15，初采离开安装起吊间段后工作面即可进入煤层，有利于煤炭资源回收。综合选择确定，将切眼布置在煤层直接顶板岩层内，切眼底板沿煤层顶板施工，既降低掘进期间冲击风险、能够实现快速掘进保证巷道稳定性，又有利于设备安装和煤炭回收，如图 3 所示。图 30908 切眼剖面图4切眼贯通位置巷道贯通点要避免在断层两侧 30m 内、巷道交叉点 15m 内、围岩破碎区、应力异常带等区域，要布置在条件相对完好、应力较低的区域。切眼回顺侧临近 DF6号断层，工作面需按照背离该大型断层方向掘进施工；切眼南侧发育有 DF31号断层，该断层由运顺侧向回顺侧逐渐靠近切眼；运顺侧三角点设计有起吊间、机电硐室等，存在应力集中需要预留安全距离。综合以上分析，最终选定 0908 切眼掘进工作面贯通位置为切眼与运输顺槽交叉点 15m 处至切眼与运输顺槽交叉点 80m 处之间的区段，如图 4 所示。图 40908 工作面贯通区域示意图5切眼掘进贯通措施5.1预卸压措施0908 切眼掘进工作面距离贯通点 50m 时，停止掘进施工，在迎头施工大直径预卸压钻孔，保证钻孔终孔位置穿透剩余岩柱，设计参数如下：共设计 7 个大直径预卸压钻孔，孔径 114mm，呈扇形布置，其中两个钻孔在切眼迎面靠近两帮出开孔，终孔位置为贯通点巷道两侧外各 9m，其余 5 个钻孔在迎面“五花”布置，孔间距 1m，如图 5、图 6 所示。1#孔：方位 81,倾角 3,开孔高度 1.5m，终孔50m；2#孔：方位 77,倾角 3,开孔高度 1.0m，终孔50m；3#孔：方位 72,倾角 3,开孔高度 1.5m，终孔50.5m；4#孔：方位 70,倾角 3,开孔高度 1.0m，终孔51m；5#孔：方位 85,倾角 3,开孔高度 1.0m，终孔50m；6#孔：方位 90,倾角 3,开孔高度 1.5m，终孔50.5m；窑窑33第 1 期2022 年 8 月铁法科技第一作者简介：王成斌（1968-），男，工程师。1990 年毕业于辽源煤校采煤工程专业，现任大强煤矿副总工程师。联系电话：[phone]。7#孔：方位 92,倾角 3,开孔高度 1.0m，终孔51m。图 5 大直径预卸压钻孔平面示意图图 6 大直径预卸压钻孔剖面示意图5.2小断面贯通扩刷措施开切眼内剩余岩柱宽度 5m 时，开始小断面掘进，小断面贯通后逐渐扩刷巷道至设计断面，小断面掘进巷道断面不大于 15m2，对小断面巷道进行临时支护见图 7。6实践效果分析0908 工作面开切眼于 2021 年 4 月 14 日开始施工，至 7 月 26 日贯通，期间共发生微震事件 404次，1E+02J 级别能量事件 243 次，1E+03J 级别能量事件 161 次，单次事件最大能量 6.8E+03J，其中96.3%的微震事件发生在巷道顶板中，3.7%发生在巷道底板中。掘进期间未发生 1E+04J 及以上级别能量事件，说明通过层位调整，有效控制住了掘进作业对DF6号大型断层的扰动，防止了断层活化失稳诱发冲击地压造成安全事故。微震事件集中发生在巷道顶板，说明工作面大埋深、高静载条件下大断面开挖后，顶板活动明显，工作面开始回采后，随采空区面积扩大，需密切监测顶板变化情况。工作面 8 月初至 10 月中旬进行设备安装，期间切眼整体变化不大，底板有少量底臌，未进行拉底扩修处理即顺利完成了设备安装工作，说明在该层位施工切眼，极大的增加了巷道的稳定性和抗变形能力，为设备安装至初采创造了十分有利的条件。7结论通过实践分析，0908 工作面开切眼选择在煤层顶板岩层内施工，既化解了大埋深、高静载、强动载地质条件下的冲击地压风险，实现了高效快速掘进施工，保证了巷道的稳定性和抗变形能力，为后期设备安装和初采工作创造了有利条件，该成功实践经验可以应用于矿井后续条件类似的工作面切眼设计施工过程中，为冲击地压工作面掘进贯通提供了新思路、新方法。图 7 小断面临时支护示意图窑窑34