采掘工作面沖擊地壓防治

摘 要:在巷道周圍或工作面頂?shù)装甯浇?，打集束卸壓孔，大量取出巖煤，在垂直鉆孔的圍巖斷面上形成一個(gè)呈多孔狀的弱面，在空間中形成一系列空巖管覆蓋或圍繞在一定距離的巷道周圍或工作面頂?shù)装逯小．?dāng)集中應(yīng)力作用于巷道圍巖時(shí)，首先破壞該弱面結(jié)構(gòu)消耗能量，破壞后的該弱面會(huì)中斷或減弱應(yīng)力傳遞，并導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)向兩側(cè)深部巖體轉(zhuǎn)移(采空區(qū)或較安全位置)，保護(hù)巷道不產(chǎn)生或減少兩幫擠進(jìn)和底鼓。當(dāng)發(fā)生地壓沖擊時(shí)，集中應(yīng)力主要作用于兩側(cè)深部煤巖體，從而保護(hù)采掘巷道和局部工作面，確保人員設(shè)備安全與生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行。

關(guān)鍵詞:集束卸壓孔 弱面結(jié)構(gòu) 應(yīng)力傳遞 消耗能量

中圖分類號(hào):TD713文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)04(a)-0129-01

目前，采煤工作面發(fā)生沖擊地壓的部位，一般都是在上超前和工作面上頭，掘進(jìn)工作面主要是在工作面后部一定范圍內(nèi)，防治沖擊地壓的方法，主要是采取對(duì)抗法或卸壓法。對(duì)抗法因?yàn)椴牧系纫蛩氐木窒?，較難達(dá)到目的。卸壓法確實(shí)能起到卸壓作用，但不能真正消除沖擊地壓危險(xiǎn)。為能夠更好地防治沖擊地壓，認(rèn)真分析現(xiàn)有防治沖擊地壓的技術(shù)方法，提出下面集束卸壓孔防治沖擊地壓的方法。

現(xiàn)有的解決沖擊地壓方法中的對(duì)抗法，就是給棚加固法，增強(qiáng)巷道支護(hù)，包括架棚噴砼打錨索，以阻擋圍巖的沖擊。由于來(lái)自應(yīng)力集中地段的圍巖壓力能量巨大，當(dāng)?shù)貕簺_擊沒(méi)來(lái)時(shí)，還可以維護(hù)巷道的完好，一旦發(fā)生沖擊，面對(duì)強(qiáng)烈的地壓沖擊，這種對(duì)抗式支護(hù)幾乎不起作用。而注水軟化法和爆破預(yù)裂法，應(yīng)當(dāng)屬于破壞巖體結(jié)構(gòu)的一種卸壓法，雖不屬于對(duì)抗法，立意較好，但之所以效果不太好，是因?yàn)樽⑺ú坏珱](méi)有減少壓力集中區(qū)物質(zhì)量，又注水使巖石產(chǎn)生膨脹附加應(yīng)力而增強(qiáng)壓力集中區(qū)的應(yīng)力。爆破預(yù)裂法雖然能破壞巖石的單向結(jié)構(gòu)，但取巖量不夠，預(yù)裂的巖石因?yàn)樗槊洠赡軅鬟f應(yīng)力的能力進(jìn)一步增強(qiáng)，并又附加了一個(gè)碎脹應(yīng)力，所以目前的注水軟化法和爆破預(yù)裂法，不但沒(méi)有有效地減小高壓區(qū)的壓力或阻斷壓力傳遞，相反卻增強(qiáng)了沖擊地壓發(fā)生的可能性與強(qiáng)度。

對(duì)于掘進(jìn)工作面，可經(jīng)過(guò)卸壓鉆場(chǎng)，向巷道周圍一定范圍內(nèi)打足夠量的鉆孔，形成集束鉆孔，將巷道周圍的巖石除維護(hù)巷道結(jié)構(gòu)的以外，足夠量地取出，以形成能夠被集中應(yīng)力破壞的結(jié)構(gòu)弱面，破壞的結(jié)構(gòu)弱面不能傳遞或有效地傳遞應(yīng)力，從而阻斷應(yīng)力傳遞和消除采場(chǎng)內(nèi)高應(yīng)力區(qū)，防止產(chǎn)生沖擊地壓。對(duì)于采煤工作面，在外部前方一定距離施工卸壓鉆場(chǎng)，經(jīng)卸壓鉆場(chǎng)向( 將)需要消除高壓和阻斷頂板壓力傳遞處打集束鉆孔按量取巖形成結(jié)構(gòu)弱面，并且可再對(duì)集束鉆孔選孔裝藥進(jìn)行結(jié)構(gòu)破壞，因破碎的巖石無(wú)法充滿取巖區(qū)域傳遞應(yīng)力，從而達(dá)到卸壓目的。

由于該法是在巷道或工作面的一定區(qū)域，在圍巖取出位置人為形成一個(gè)弱面空間，當(dāng)該位置進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū)域時(shí)，集中的應(yīng)力超過(guò)該弱面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，該空巖管的圍巖會(huì)壓碎填充空巖管，對(duì)應(yīng)于取巖量的多少，減少或不發(fā)生底鼓幫鼓?？諑r管初次破壞后，即弱化或阻斷該處應(yīng)力傳遞，應(yīng)力會(huì)發(fā)生重新分配，峰值部分會(huì)向深部或遠(yuǎn)離巷道處轉(zhuǎn)移，遠(yuǎn)離需要保護(hù)的巷道或局部工作面。當(dāng)發(fā)生地壓沖擊時(shí)，主要作用于破壞的集束巖管保護(hù)范圍以外區(qū)域， 由于該弱面空間只受到較小的應(yīng)力作用，并進(jìn)一步產(chǎn)生破壞，消耗沖擊能量，剩余的沖擊能量則不足以破壞巷道或局部工作面或巖管之間預(yù)留的圍巖，從而保護(hù)巷道不受沖擊或減弱沖擊破壞作用，確保巷道內(nèi)的人員和設(shè)備安全，使生產(chǎn)得以連續(xù)進(jìn)行。

集束卸壓鉆孔完工后，應(yīng)通過(guò)微震儀反應(yīng)，觀察集中應(yīng)力區(qū)的巖爆變化，如卸壓作用不夠明顯，說(shuō)明剩余孔邊巖柱的強(qiáng)度還大于集中應(yīng)力的破壞作用，有必要對(duì)卸壓鉆孔裝藥爆破，以便在巖體弱面內(nèi)形成較好的阻斷效果。

對(duì)于采煤工作面，施工集束卸壓鉆孔后，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域從風(fēng)巷附近向下部工作面和深部煤巖體轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，深部煤巖體在集中應(yīng)力作用下，可能會(huì)出現(xiàn)巖爆，但不會(huì)影響到外部工作面。離開(kāi)風(fēng)巷的下部工作面，近硬幫處發(fā)生巖爆，可能對(duì)工作面還有一定影響，比起風(fēng)巷處發(fā)生沖擊地壓，因?yàn)橛幸簤褐Ъ苤危瑒t可以保護(hù)人員的安全。對(duì)于掘進(jìn)工作面，兩幫頂板施工集束鉆孔卸壓后，去掉了巷道兩幫的應(yīng)力，使兩幫的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到深部巖體，從而弱化對(duì)底板巖體的側(cè)向應(yīng)力作用，達(dá)到使底板巖體不發(fā)生應(yīng)力蠕變底鼓或沖擊底鼓的目的。

打這種取巖卸壓孔，需要保證在垂直鉆孔的橫斷面上，達(dá)到一定的取巖量。參照回采冒落巖石膨脹系數(shù)一般為1.2～1.3，提示取巖量應(yīng)當(dāng)達(dá)到0.2～0.3。如果采用直徑200mm鉆孔，達(dá)到單位斷面上0.2的巖石取出量，則相鄰孔邊距為200mm。如果在19m×2m范圍內(nèi)，則需要237個(gè)鉆孔。這相當(dāng)于在垂直風(fēng)巷斷面工作面頂?shù)装鍑鷰r中，取出了3.8m×2m斷面的巖量，足以減小風(fēng)巷上下幫和頂?shù)装逑蛳锏纼?nèi)的膨脹或沖擊。如采用0.3m孔徑，孔邊距0.3m，單位斷面上也為0.2取巖量，效果與上述相同，只需要約106個(gè)孔。為保證鉆機(jī)鉆進(jìn)中途不出現(xiàn)交叉，可以先打100mm細(xì)孔，然后擴(kuò)孔達(dá)到所需單位斷面取巖量。每孔長(zhǎng)70m打106個(gè)鉆孔，每孔施工時(shí)間2個(gè)小班( 二次成孔，先打一較小直徑的鉆孔，再進(jìn)行擴(kuò)孔達(dá)到要求直徑)，需要71天。三臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工則約需要24天。以上為參照回采冒落巖石碎脹系數(shù)為1.2時(shí)，確定的單位斷面的取巖鉆孔直徑和數(shù)量。由于巷道的圍巖并沒(méi)有沿重力線發(fā)生明顯的冒落，只是破碎后基本處于原位附近，碎脹系數(shù)應(yīng)小于0.2，所以單從阻斷應(yīng)力傳遞方面，鉆孔直徑可能可以選小一些，鉆孔間距可能還可以選大些，實(shí)際施工時(shí)也許會(huì)更方便些—— 有利于避免鉆孔交叉現(xiàn)象。如考慮巷道圍巖擠入問(wèn)題，孔徑相對(duì)于孔邊距也許應(yīng)選大些。這些數(shù)值問(wèn)題，可在實(shí)際工作中進(jìn)行總結(jié)，根據(jù)效果加以調(diào)整。實(shí)際施工中可能還會(huì)因?yàn)榱严秾?dǎo)通，出現(xiàn)鄰孔返水情況，可以封閉已施工返水鉆孔解決。還可能在應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)塌孔卡鉆現(xiàn)象，可能需要在鉆頭后部圓周安裝合金牙，以便解決如鉆頭進(jìn)入應(yīng)力集中區(qū)時(shí)出現(xiàn)的塌孔現(xiàn)象。

卸壓鉆孔裝藥爆破，需要特制形狀的火藥，火藥直徑和鉆孔直徑應(yīng)匹配;每隔一定距離需要一個(gè)起爆雷管，雷管腳線長(zhǎng)度，從70m到10m，應(yīng)該有依次相差2～3m的不同規(guī)格。

在施工鉆孔取巖時(shí)，在單位斷面或容積內(nèi)取巖量需要達(dá)到一定值，必須近距離平行施工鉆孔。這有一定的難度，需要操作熟練的鉆機(jī)工，依靠長(zhǎng)期打鉆過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)(采取準(zhǔn)確固定鉆機(jī)、擴(kuò)孔法等)及性能良好的鉆機(jī)，確保平行鉆孔能夠按參數(shù)施工，防范可能出現(xiàn)的卡鉆問(wèn)題，確保取巖工作能夠順利進(jìn)行。