采掘工作面沖擊地壓防治

摘 要:在巷道周圍或工作面頂底板附近，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底板中。當集中應力作用于巷道圍巖時，首先破壞該弱面結構消耗能量，破壞后的該弱面會中斷或減弱應力傳遞，并導致應力集中區向兩側深部巖體轉移(采空區或較安全位置)，保護巷道不產生或減少兩幫擠進和底鼓。當發生地壓沖擊時，集中應力主要作用于兩側深部煤巖體，從而保護采掘巷道和局部工作面，確保人員設備安全與生產連續進行。

關鍵詞:集束卸壓孔 弱面結構 應力傳遞 消耗能量

中圖分類號:TD713文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(a)-0129-01

目前，采煤工作面發生沖擊地壓的部位，一般都是在上超前和工作面上頭，掘進工作面主要是在工作面后部一定范圍內，防治沖擊地壓的方法，主要是采取對抗法或卸壓法。對抗法因為材料等因素的局限，較難達到目的。卸壓法確實能起到卸壓作用，但不能真正消除沖擊地壓危險。為能夠更好地防治沖擊地壓，認真分析現有防治沖擊地壓的技術方法，提出下面集束卸壓孔防治沖擊地壓的方法。

現有的解決沖擊地壓方法中的對抗法，就是給棚加固法，增強巷道支護，包括架棚噴砼打錨索，以阻擋圍巖的沖擊。由于來自應力集中地段的圍巖壓力能量巨大，當地壓沖擊沒來時，還可以維護巷道的完好，一旦發生沖擊，面對強烈的地壓沖擊，這種對抗式支護幾乎不起作用。而注水軟化法和爆破預裂法，應當屬于破壞巖體結構的一種卸壓法，雖不屬于對抗法，立意較好，但之所以效果不太好，是因為注水法不但沒有減少壓力集中區物質量，又注水使巖石產生膨脹附加應力而增強壓力集中區的應力。爆破預裂法雖然能破壞巖石的單向結構，但取巖量不夠，預裂的巖石因為碎脹，可能傳遞應力的能力進一步增強，并又附加了一個碎脹應力，所以目前的注水軟化法和爆破預裂法，不但沒有有效地減小高壓區的壓力或阻斷壓力傳遞，相反卻增強了沖擊地壓發生的可能性與強度。

對于掘進工作面，可經過卸壓鉆場，向巷道周圍一定范圍內打足夠量的鉆孔，形成集束鉆孔，將巷道周圍的巖石除維護巷道結構的以外，足夠量地取出，以形成能夠被集中應力破壞的結構弱面，破壞的結構弱面不能傳遞或有效地傳遞應力，從而阻斷應力傳遞和消除采場內高應力區，防止產生沖擊地壓。對于采煤工作面，在外部前方一定距離施工卸壓鉆場，經卸壓鉆場向( 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構弱面，并且可再對集束鉆孔選孔裝藥進行結構破壞，因破碎的巖石無法充滿取巖區域傳遞應力，從而達到卸壓目的。

由于該法是在巷道或工作面的一定區域，在圍巖取出位置人為形成一個弱面空間，當該位置進入應力集中區域時，集中的應力超過該弱面的結構強度時，該空巖管的圍巖會壓碎填充空巖管，對應于取巖量的多少，減少或不發生底鼓幫鼓。空巖管初次破壞后，即弱化或阻斷該處應力傳遞，應力會發生重新分配，峰值部分會向深部或遠離巷道處轉移，遠離需要保護的巷道或局部工作面。當發生地壓沖擊時，主要作用于破壞的集束巖管保護范圍以外區域， 由于該弱面空間只受到較小的應力作用，并進一步產生破壞，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留的圍巖，從而保護巷道不受沖擊或減弱沖擊破壞作用，確保巷道內的人員和設備安全，使生產得以連續進行。

集束卸壓鉆孔完工后，應通過微震儀反應，觀察集中應力區的巖爆變化，如卸壓作用不夠明顯，說明剩余孔邊巖柱的強度還大于集中應力的破壞作用，有必要對卸壓鉆孔裝藥爆破，以便在巖體弱面內形成較好的阻斷效果。

對于采煤工作面，施工集束卸壓鉆孔后，會出現應力集中區域從風巷附近向下部工作面和深部煤巖體轉移現象，深部煤巖體在集中應力作用下，可能會出現巖爆，但不會影響到外部工作面。離開風巷的下部工作面，近硬幫處發生巖爆，可能對工作面還有一定影響，比起風巷處發生沖擊地壓，因為有液壓支架支撐，則可以保護人員的安全。對于掘進工作面，兩幫頂板施工集束鉆孔卸壓后，去掉了巷道兩幫的應力，使兩幫的應力轉移到深部巖體，從而弱化對底板巖體的側向應力作用，達到使底板巖體不發生應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，達到一定的取巖量。參照回采冒落巖石膨脹系數一般為1.2～1.3，提示取巖量應當達到0.2～0.3。如果采用直徑200mm鉆孔，達到單位斷面上0.2的巖石取出量，則相鄰孔邊距為200mm。如果在19m×2m范圍內，則需要237個鉆孔。這相當于在垂直風巷斷面工作面頂底板圍巖中，取出了3.8m×2m斷面的巖量，足以減小風巷上下幫和頂底板向巷道內的膨脹或沖擊。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個孔。為保證鉆機鉆進中途不出現交叉，可以先打100mm細孔，然后擴孔達到所需單位斷面取巖量。每孔長70m打106個鉆孔，每孔施工時間2個小班( 二次成孔，先打一較小直徑的鉆孔，再進行擴孔達到要求直徑)，需要71天。三臺鉆機同時施工則約需要24天。以上為參照回采冒落巖石碎脹系數為1.2時，確定的單位斷面的取巖鉆孔直徑和數量。由于巷道的圍巖并沒有沿重力線發生明顯的冒落，只是破碎后基本處于原位附近，碎脹系數應小于0.2，所以單從阻斷應力傳遞方面，鉆孔直徑可能可以選小一些，鉆孔間距可能還可以選大些，實際施工時也許會更方便些—— 有利于避免鉆孔交叉現象。如考慮巷道圍巖擠入問題，孔徑相對于孔邊距也許應選大些。這些數值問題，可在實際工作中進行總結，根據效果加以調整。實際施工中可能還會因為裂隙導通，出現鄰孔返水情況，可以封閉已施工返水鉆孔解決。還可能在應力集中區出現塌孔卡鉆現象，可能需要在鉆頭后部圓周安裝合金牙，以便解決如鉆頭進入應力集中區時出現的塌孔現象。

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匹配;每隔一定距離需要一個起爆雷管，雷管腳線長度，從70m到10m，應該有依次相差2～3m的不同規格。

在施工鉆孔取巖時，在單位斷面或容積內取巖量需要達到一定值，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工，依靠長期打鉆過程中積累的經驗(采取準確固定鉆機、擴孔法等)及性能良好的鉆機，確保平行鉆孔能夠按參數施工，防范可能出現的卡鉆問題，確保取巖工作能夠順利進行。