高應力區(qū)巷道掘進施工防沖安全技術

王 淵 張景祥

（1.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；2.母杜柴登煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

國內眾多學者對沖擊地壓礦井的巷道掘進安全進行了研究。朱斯陶等[1]對高應力區(qū)掘進沖擊地壓事故機制進行了研究；楊佳旻[2]以門克慶煤礦為背景，制定了厚煤層堅硬頂板工作面沖擊地壓防治技術措施；郭光輝等[3]對沖擊地壓礦井掘進巷道卸壓鉆孔創(chuàng)新進行研究；馬斌文[4]對鉆孔卸壓防沖機制進行了研究；陳濤等[5]研究鉆孔卸壓中鉆孔周圍的應力分布特征及影響卸壓效果的因素。但是面向采空區(qū)掘進的巷道安全技術研究較少，該類巷道呈現從正常應力區(qū)向高應力區(qū)過渡問題，而且存在交叉巷道沿空轉彎掘進。母杜柴登煤礦30207 工作面走向長度近6000 m，需中部區(qū)域沿傾向方向施工通風措施巷，方便兩順槽通風與運輸，通風措施巷與工作面回風巷交叉處距離切眼3166 m 處，掘進區(qū)間自東向西朝30208 采空區(qū)方向掘進。通過該礦工程經驗礦壓顯現情況與沖擊地壓影響因素分析，確定不同沖擊危險區(qū)域具體位置，并制定不同危險區(qū)域綜合監(jiān)測方案與卸壓方案。特別采用在常規(guī)卸壓工程基礎上在掘錨機后兩幫增加施工2～4 個10°～50°傾角的斜孔達到進一步煤體增強卸壓的目的，并根據微震監(jiān)測確定了拐角處掘進風險情況，保障在高應力區(qū)向采空區(qū)掘進巷道安全。

1 概況

30207 工作面走向長約5800 m，傾向長300 m，煤層平均厚度5.92 m，埋深約640 m，相鄰30208工作面已經回采完畢。通風措施巷位于30207 工作面中部，長347 m，掘進方向自東向西朝30208 采空區(qū)掘進。當掘進至距離30208 采空區(qū)剩余6 m 位置時，停止掘進，然后朝南沿空繼續(xù)掘進30207 回風巷。30207 回風巷與30208 工作面采空區(qū)留有6 m 小煤柱，X1 向斜經過通風措施巷中部區(qū)域。工作面通風措施巷平面位置示意圖如圖1。

圖1 30207 工作面通風措施巷位置示意圖

2 通風措施巷掘進期間沖擊地壓影響因素分析

1）開采深度。30207 工作面開采深度在地面以下640 余米，此深度誘發(fā)沖擊地壓風險大大增加。

2）沖擊傾向性。3-1 煤具有強沖擊傾向性，單軸抗壓強度為35.37 MPa，頂底板具有弱沖擊傾向性。煤體強沖擊傾向性是影響巷道掘進期間沖擊危險性重要因素之一。

3）采空區(qū)。相鄰30208 工作面采空后，采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點轉移，從而在采空區(qū)四周形成支承壓力集中帶，是面向采空區(qū)掘進期間動力礦壓顯現的主要靜載力源。

4）巷道交叉。通風措施巷掘進完畢后，朝南繼續(xù)施工30207 回風巷，此時形成三角交叉區(qū)域。巷道交叉區(qū)域會引起附近煤巖體局部應力集中，是掘進期間動力顯現的靜載力源。

5）地質構造。30207 工作面通風措施巷掘進期間受X1 向斜影響，如圖2 中X1 向斜與通風措施巷交叉。在斷層或者特殊構造區(qū)域附近構造應力升高，動力災害發(fā)生風險較大。

圖2 30207 工作面通風措施巷沖擊危險區(qū)域劃分結果

6）掘進動載。該地區(qū)已有通風措施巷掘進及小煤柱工作面回風巷掘進期間均有明顯煤炮顯現，受鄰近采空區(qū)高應力區(qū)掘進擾動影響是造成煤炮增多主要原因之一。

綜合以上因素得到30207 通風措施巷掘進期間沖擊地壓主要影響因素為：1）靜載主要力源：30208 工作面采空區(qū)側向支承壓力、巷道交叉、褶曲附近構造應力影響。2）動載主要力源：掘進工作面自身動載擾動及掘進擾動下的采空區(qū)頂板活動。

3 通風措施巷危險區(qū)域劃分

以往類似條件朝采空區(qū)掘進期間迎頭至距離回風巷約150 m 時出現明顯片幫，迎頭至距離回風巷約50 m 時，掘進區(qū)域迎頭后方巷道幫部中上部最大片幫量700～800 mm，且掘進期間迎頭有煤炮及炸幫。根據已有施工經驗及沖擊地壓主要影響因素，進行危險區(qū)域劃分：

1）強沖擊風險區(qū)：通風措施巷距回風巷0～50 m 位置，主要受30208 采空區(qū)側向支承壓力、巷道交叉影響。

2）中等沖擊風險區(qū)：通風措施巷距回風巷50～120 m 位置，主要受采空區(qū)側向支承壓力影響；通風措施巷距回風巷170～210 m 位置，主要受X1向斜影響。

其他區(qū)域為弱沖擊風險區(qū)。

4 通風措施巷掘進期間防沖監(jiān)測預警方案

沖擊地壓的發(fā)生是動載和靜載共同作用的結果，因此通風措施巷掘進期間的沖擊危險性監(jiān)測需采取區(qū)域與局部監(jiān)測相結合的方法。區(qū)域監(jiān)測措施采用微震監(jiān)測法。局部監(jiān)測以采動應力、鉆屑法為主。

4.1 微震監(jiān)測方案

1）臺網布置方案

30207 膠運巷與通風措施巷交叉口兩側各布置一臺拾振器S1、S2，兩拾振器與通風措施巷和回風巷交叉口相距不大于1000 m；在通風措施巷掘進迎頭后方滯后迎頭50～150 m 范圍內布置探頭T1，滯后迎頭150～250 m 范圍內布置探頭T2，形成4 個有效測點組成的監(jiān)測臺網。

2）預警指標

弱沖擊危險區(qū)域：∑E≥1.1×102J ，日頻次≥4 個，每米總能量≥1.8×103J；中等沖擊危險區(qū)域：∑E≥2.0×103J ，日總頻次≥8 個，每米總能量≥3.6×103J；強沖擊危險區(qū)域：∑E≥8.6×103J，日總頻次≥10 個，每米總能量≥8.6×103J。

4.2 采動應力監(jiān)測方案

1）測點布置方案

煤體應力計滯后迎頭≤30 m。通風措施巷內中等及弱沖擊危險區(qū)，兩幫安裝煤體應力計，其中一幫安裝深孔14 m，另一幫安裝淺孔8 m，測點組間距30 m；強沖擊危險區(qū)采用深淺孔布置，安裝深度分別為14 m、8 m，組間距20 m，每組兩個應力計組間距為1.0 m；安裝孔徑42～45 mm。

2）預警指標

強沖擊危險區(qū)域：淺孔≥14 MPa，深孔≥16 MPa；中等沖擊危險區(qū)域：淺孔≥12 MPa，深孔≥14 MPa；弱沖擊危險區(qū)域：淺孔，初始安裝壓力～12 MPa，深孔，初始安裝壓力～14 MPa。

4.3 鉆屑法監(jiān)測

1）掘進迎頭鉆孔布置

迎頭施工2個鉆孔，孔徑42 mm，鉆孔深度15 m，監(jiān)測頻率要始終滿足掘進工作面不小于5 m 的超前監(jiān)測距離；距底板垂直距離0.5～1.5 m，單排布置，鉆孔方向與巷幫垂直，平行于煤層，監(jiān)測間隔時間為1～2 d。

2）兩幫鉆孔布置

迎頭后方60 m 范圍內正幫施工3 個鉆孔，參數同迎頭鉆屑法參數，其中監(jiān)測間隔時間為2～3 d。

3）鉆屑量沖擊危險臨界值

42 mm 鉆孔臨界值：鉆孔1～6 m 每米鉆粉臨界值為3.0 kg，7～12 m 臨界值為4.7 kg，13～15 m 臨界值為7.5 kg。

5 通風措施巷掘進期間防沖措施

30207 回風巷相鄰巷道30208 工作面膠運巷已施工水力壓裂措施，在工作面掘進期間難以向采空區(qū)側實施頂板預裂措施，故該次方案以煤層卸壓為主。常規(guī)卸壓孔施工為正頭卸壓和幫部卸壓，為增強卸壓效果，在常規(guī)卸壓基礎上，在掘錨機后兩幫增加施工2～4 個10°～50°傾角的斜孔增強煤體卸壓。

5.1 大直徑鉆孔預卸壓措施

5.1.1 中等沖擊風險區(qū)預卸壓方案（距回風巷50～120 m、170～210 m 段）

兩幫：通風措施巷兩幫每隔2 m 實施一個大直徑鉆孔，鉆孔與巷幫垂直，距底板0.5～1.5 m，孔徑Φ150 mm，孔深20 m，滯后迎頭距離不超過40 m。

迎頭：在距離迎頭后方掘錨機與梭車之間施工迎頭斜卸壓孔，距底板1～1.2 m。1#鉆孔與巷道右?guī)统?7°夾角，孔徑Φ150 mm，孔深33 m；2#鉆孔與巷道右?guī)统?7°夾角，孔徑Φ150 mm，孔深31 m；左幫側類似。迎頭斜孔滯后迎頭距離不超過10 m 施工。

預留超前卸壓保護帶投影距離8 m，允許掘進距離≤12 m，單次施工不少于4 個鉆孔，循環(huán)執(zhí)行，如圖3。

圖3 距回風巷50～120 m、170～210 m 段卸壓方案（m）

5.1.2 強沖擊風險區(qū)預卸壓方案（距回風巷0～50 m段）

距離回風巷0～50 m 段受采空區(qū)側向支承壓力影響最大，按強沖擊危險區(qū)管理。在迎頭施工三花孔并增加巷道兩側卸壓強度。

1）迎頭預卸壓方案。在迎頭布置3 個大直徑鉆孔，采用三花布置，孔深50 m，直徑150 mm，平行于煤層布置。

2）兩幫預卸壓方案。對巷道兩側各15 m 范圍內煤巖體進行預卸壓，具體方案為：在迎頭斷面兩側各增加4 個卸壓孔，4#孔與右?guī)蛫A角10°，孔深50 m；5#孔與右?guī)蛫A角17°，孔深50 m；6#孔與右?guī)蛫A角25°，孔深36 m；7#孔與右?guī)蛫A角50°，孔深20 m；左幫側8#～11#孔與之類似。

距回風巷0～50 m 范圍內，兩幫每隔1 m 實施一個大直徑鉆孔，鉆孔與巷幫垂直，距底板0.5～1.5 m，孔徑Φ150 mm，孔深20 m。幫部鉆孔依據單日進尺緊貼迎頭施工，直至掘錨機位置。如圖4。

圖4 距回風巷0～50 m 段掘進迎頭與幫部卸壓方案

3）二次預卸壓時機。一次預卸壓后，距回風巷0～50 m 段掘進期間，每日掘進速度≤8 m/d。掘進期間加強監(jiān)測，兩幫片幫增大、監(jiān)測異常時，進行鉆屑檢驗，鉆屑超標時，停止掘進并再次解危卸壓（考慮采空區(qū)積水因素，迎頭卸壓孔及兩幫斜孔卸壓孔終孔位置不超過回風巷正幫），鉆屑檢驗不超標后方可繼續(xù)掘進。

5.1.3 中等危險區(qū)域掘進期間預卸壓方案（回風巷與通風措施巷交叉口段）

幫部：僅在正幫施工，小煤柱側不再施工大直徑卸壓鉆孔；正幫每隔2 m 實施一個大直徑鉆孔，鉆孔與巷幫垂直，距底板0.5～1.5 m，孔徑Φ150 mm，孔深20 m，滯后迎頭距離不超過40 m。具體見圖5。

圖5 回風巷與通風措施巷交叉口段卸壓方案（m）

迎頭：距底板1～1.2 m，1#鉆孔與回風巷副幫呈27°夾角，孔徑Φ150 mm，孔深33 m；2#鉆孔與回風巷副幫呈17°夾角，孔徑Φ150 mm，孔深31 m。具體見圖5。

5.2 應用效果

在施工完相關卸壓工程后，掘進期間片幫情況得到較大改觀，僅在第二根錨桿上下存在片幫破碎情況，片幫深度約0.5 m，較以往減少0.3 m。其中，高應力區(qū)迎頭卸壓孔及斜孔以2～12 m 范圍煤炮較多，孔內3 m 以里均出現塌孔，繼續(xù)施工直角孔和斜孔后，高應力區(qū)壓力得到一定釋放。由弱到強風險區(qū)域，鉆屑孔煤粉顆粒由粉狀轉換到顆粒狀，粒徑達到3 cm，表明在高應力區(qū)鉆粉呈現大顆粒特點。微震事件顯示掘進通風措施巷與回風巷拐角內側微震事件最多，應力集中程度最高。應力計在掘進迎頭后方有升高現象，迎頭后方3～15 m 范圍巷幫微震事件較多。在施工二次卸壓措施后，8 m 深應力計平均應力降低約1～2 MPa，說明淺部高應力區(qū)朝深部轉移，沖擊風險降低。

6 結語

1）通過分析向采空區(qū)掘進巷道的沖擊地壓影響因素，結合已有工程礦壓顯現情況，確定距采空區(qū)0～50 m 為高風險區(qū)域，50～120 m 為中等風險區(qū)域。

2）分區(qū)制定了高應力區(qū)掘進“微震+應力+鉆屑”綜合監(jiān)測方案，確定了預警指標。

3）高應力沖擊風險區(qū)的巷道掘進，在常規(guī)卸壓工程基礎上，在掘錨機后兩幫增加施工2～4 個10°～50°傾角的斜孔增強卸壓，效果良好。