深部動壓條件下密集巷道群沖擊地壓防治技術研究

劉宏軍

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.開灤（集團）有限責任公司，河北省唐山市，063000）

深部動壓條件下密集巷道群沖擊地壓防治技術研究

劉宏軍1，2

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.開灤（集團）有限責任公司，河北省唐山市，063000）

以呂家坨煤礦5470Y工作面停采線前方的密集巷道群為例，研究了采動影響下巷道群的應力分布狀態，分析了大小煤柱破壞前后的支承應力變化和能量轉移方向，得出在采動誘發下密集巷道群自身應力疊加是造成沖擊地壓的直接原因；并利用截流卸壓原理阻斷了工作面煤壁前方支承壓力和能量向巷道群的傳遞。通過爆破卸壓和鉆孔卸壓對沖擊危險區域進行了解危處理，巷道群卸壓后集中應力和能量大大降低。

深部巷道 密集巷道群 沖擊地壓 動壓條件 能量轉移 卸壓技術

密集巷道群與單一的巷道或硐室相比，具有突發性、瞬時性、應力疊加性等特點，影響巷道群沖擊地壓的主要因素有開采深度、地質構造、頂板巖層結構、煤巖層沖擊傾向性和開采擾動等。在密集巷道群周圍進行采掘活動，很容易造成鄰近巷道圍巖變形、應力集中和能量積聚，不但存在著受采動條件支承壓力范圍的影響，還受到巷道間煤柱應力相互疊加影響。當煤體內積聚的彈性能超過圍巖極限值且得不到有效傳遞或釋放時，就極易造成巷道群及護巷煤柱等煤巖體的沖擊破壞，發生沖擊危險。因此，研究密集巷道群的圍巖變形破壞規律和巷道之間煤柱荷載下的能量轉移規律就成為目前深部開采關注的熱點課題。本文以呂家坨煤礦5470Y工作面為例，分析其周圍開采環境及地質特征，研究塊狀巷道群煤柱的能量釋放規律及高應力危險區域的沖擊地壓防治措施，對現場具有積極的指導作用，對類似條件下的開采具有借鑒意義。

1　密集巷道群概況

呂家坨煤礦5470Y工作面開采7#煤層，采深761.5～792.9 m，平均777.2m，屬深部開采煤層，該煤層含夾石平均厚度約3.52 m，屬復雜結構中厚煤層；工作面頂板依次由1.2 m厚的粉砂巖和5.6 m的細粉砂巖組成，底板為1.95 m的粉砂質泥巖。

5470Y工作面推采前方有一密集巷道群，其范圍沿5478Y工作面和5470Y工作面推進方向停采線以外、F4斷層以西、-800西大巷以南所包含的為工作面服務的煤柱巷道區，如圖1所示。該巷道群區域共有10個大小不等的煤柱，總面積約為2×104m2。

圖1　密集巷道群分布示意圖

圖1顯示，密集巷道群由多個小煤柱連通而成，巷道之間煤體容易產生支承壓力疊加及能量積聚，為煤柱型沖擊地壓的發生提供了條件。根據呂家坨礦歷史記錄，圖中Ⅰ煤柱面積為1392 m2，于2008年12月14日發生過一次沖擊地壓；Ⅱ煤柱面積為1062 m2，于2010年3月9日發生過一次沖擊地壓；Ⅲ煤柱面積為1078 m2，于2011年10月21日發生過一次沖擊地壓，3次沖擊地壓均造成了不同程度的破壞，嚴重影響了工作面的安全生產，因此要對密集巷道群進行圍巖應力分析并采取有效的解危措施。

2　動壓條件下密集巷道群沖擊地壓解危機理分析

2.1動壓條件下密集巷道群應力狀態分析

密集巷道群是指由巷道連通起來的為工作面服務的多個煤柱巷道區域。隨著工作面回采的結束，采空區周圍巖層承受的壓力和應力變化特征極其復雜，由于上覆巖層垮落程度不一致，導致大部分頂板處于懸空狀態，而懸空巖層要保持自身的穩定性和平衡狀態，就要將應力轉移到工作面前方和采空區周圍的煤巖體上。從文中所述條件分析可知，5470Y工作面的采空區將逐漸成為應力降低區，而在護巷煤柱或周圍的密集巷道群形成應力增高區和能量積聚區。密集巷道群卸壓前后能量轉移及應力分布狀態見圖2。

圖2　密集巷道群卸壓前后能量轉移及應力分布狀態

如圖2（a）所示，隨著5470Y工作面的回采越來越靠近停采線和密集巷道群，其產生的擾動應力場對巷道群影響也會越來越明顯。Ⅰ、Ⅱ煤柱和5470Y工作面之間的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ煤柱更容易受到應力疊加和采動的影響，產生沖擊地壓的可能性較高。Ⅳ煤柱為小煤柱（寬度≤10 m），在巷道開挖后形成單峰式的側向支承壓力，應力較高；Ⅲ、Ⅴ煤柱為大煤柱（寬度≥30 m），在開挖后則會形成馬鞍形應力分布，說明煤柱內存在穩定區并能承載大部分載荷，但容易受工作面回采后大面積懸空巖梁的擾動應力場影響。

巷道群在左側工作面采動應力和右側頂板巖層斷裂能量轉移的應力疊加影響下，巷道中間的煤體結構發生了變化。煤柱由原來的彈性狀態逐漸向塑性狀態轉變，在煤柱邊緣形成塑性區，煤柱深部在支承壓力作用下形成軟層結構，支承壓力峰值增大，能量逐漸向中間小煤柱Ⅳ轉移。煤柱Ⅳ受到兩側煤柱Ⅲ、Ⅴ應力疊加作用，當應力達到煤柱Ⅳ的極限支承應力時，就會發生失穩，誘發沖擊地壓。

根據煤柱應力疊加作用和能量轉移方向，在煤柱一定位置上轉移或消除能量源，對Ⅲ、Ⅴ和Ⅳ煤柱進行爆破、大直徑鉆孔等卸壓措施，釋放能量源。最終達到能量有序緩慢釋放，降低或消除產生沖擊地壓的能量。采用爆破卸壓、大直徑鉆孔卸壓后的密集巷道群能量轉移方向及應力場分布狀態如圖2（b）所示。

采取卸壓措施后，煤壁邊緣出現塑性區，支承壓力峰值大小下降，大煤柱峰值位置遠離煤壁并逐步向煤體深部轉移，密集巷道群區域集聚的彈性變形能得到了有效釋放或轉移。

2.2采動條件下密集巷道截流卸壓原理

在回采過程中，隨著5470Y工作面的推采逐漸接近停采線和密集巷道群，采動產生的擾動應力場對巷道群的影響也愈加明顯。由于煤壁前方支承壓力不斷前移，為了阻止支承壓力峰值傳遞到密集巷道群區域，提前在工作面停采后的超前支承壓力峰值范圍內進行應力和能量截流，阻斷應力和能量傳遞，達到保護巷道的目的。

圖3　截流前后超前工作面應力分布狀態

圖3所示是動壓條件下截流前后工作面超前應力分布圖，未進行動壓截流技術前，工作面超前支承壓力峰值高、應力集中程度大，積聚能量多，易誘發密集巷道群發生沖擊地壓；采用動壓截流技術，在距工作面煤壁前方16 m（超前支承壓力峰值）前后實施鉆孔爆破，鉆孔數據如圖3所示，爆破后煤體承載能力降低、峰值應力下降、影響范圍擴大，促使了能量緩慢有序釋放、有效阻隔了應力對密集巷道群區域的影響，從而避免因工作面推采產生的擾動誘發密集巷道群區域發生沖擊地壓。

3　密集巷道群沖擊地壓防治技術

根據上述密集巷道群沖擊地壓解危機理分析，利用爆破卸壓和大直徑鉆孔對密集巷道群周圍的煤體進行卸壓處理，防止應力集中和能量積聚，解除沖擊地壓危險。

3.1爆破卸壓

爆破卸壓是用鉆孔爆破的方法減緩上覆巖層集中應力的一種解危措施。爆破卸壓在煤體內部爆破，爆破沖擊波使煤體產生大量裂隙，導致煤體的彈性模量減小，積聚的彈性能減少，達到釋放能量的目的。將鉆孔布置在服務巷道群煤炮密集區域、5470Y工作面停采線附近軌道巷兩側的煤體內、密集巷道交叉區域等，如圖1所示的A、B、C、D、E區域。鉆孔卸壓爆破的鉆孔深度7 m，孔徑42 mm，鉆孔間距5 m，鉆孔斜向上3°～5°，鉆孔距離底板1.2 m，裝藥長度為孔深的1/3，如圖4（a）所示。

圖4　卸壓示意圖

3.2大直徑鉆孔卸壓

大直徑鉆孔卸壓是利用鉆機在煤體內打大直徑鉆孔，在高應力作用下使煤層中積聚的彈性能釋放破壞鉆孔周圍的煤體，每個鉆孔周圍形成一定范圍的破碎區，互相連通后便能使煤體破裂，釋放積聚的能量，降低沖擊地壓危險。將大直徑鉆孔布置在工作面停采線附近的煤體及巷道之間的F區域煤柱內（見圖1），距5470Y軌道巷12 m處布置第一個大直徑鉆孔，然后沿運輸聯絡巷向上依次布置26個，鉆孔間距0.5～1.0 m，鉆孔孔徑90 mm，鉆孔深度8 m，鉆孔距離底板1.2 m，仰角1°～3°，如圖4（b）所示。

3.3地壓防治效果

通過鉆屑法對密集巷道危險區域進行沖擊地壓效果檢驗，比較卸壓前后煤粉鉆屑量，在密集巷道群布置6個鉆孔進行檢測，鉆孔直徑42 mm，鉆孔深度7 m，距底板1.2 m。用塑料袋收集鉆出的煤粉，用彈簧秤稱量煤粉的重量，每鉆進1 m測量1次鉆屑量。鉆孔具體位置如圖5所示。

圖5　鉆屑法檢測鉆孔位置圖

卸壓前后鉆屑法監測煤粉量對比結果見圖6。卸壓前6個鉆孔的鉆屑量基本處于3～4 kg/m，如圖6（a）所示，是由于監測區域內煤體應力較大，支承壓力集中度高，在工作面采掘活動的擾動下，應力峰值和能量均向巷道煤柱內轉移，造成大小煤柱的應力集中和能量積聚，沖擊危險性大。由圖6（b）可知，卸壓后鉆屑法監測鉆孔的最大值均低于臨界值3.5 kg/m，和卸壓前相比大大減小，說明卸壓獲得了很好的效果，爆破卸壓和鉆孔卸壓起到了應力和能量的轉移和截流作用，消除了密集巷道群的沖擊地壓危險。

圖6　卸壓前后鉆屑法監測煤粉量對比

4　結論

（1）在動壓條件下對密集巷道群沖擊地壓發生機理進行了研究，分析了工作面前方巷道群的應力分布狀態，并根據煤柱應力疊加和能量轉移方向進行卸壓處理，轉移和消除了沖擊能量源。

（2）采用了動壓截流技術，阻斷了應力和能量向工作面前方密集巷道群的傳遞，避免了由工作面采動誘發巷道群沖擊地壓的發生。

（3）采用爆破卸壓和大直徑鉆孔卸壓技術對危險區域煤體進行解危處理，并通過鉆屑法檢驗了卸壓效果，消除了沖擊地壓的危險性。

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（責任編輯 張毅玲）

★ 煤炭科技·開拓與開采★

Research on control technique of rock burst in serried roadway groups under deep mining pressure

Liu Hongjun
（1.Faculty of Resources&Safety Engineering，China University of Mining&Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Kailuan Group Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei 063000，China）

Taking the serried roadway groups in front of the stopping line of No.5470Y working face in Lvjiatuo Coal Mine as the research example，the stress distribution in roadway groups under the influence of coal mining was studied，and the variation of support stress and the directions of energy transfer before and after the big and small coal pillar failure were analyzed. The results showed that the stress superposition of roadway groups influenced by mining was the main reason of rock burst.The support stress and energy in front of coal wall were prevented transmiting to roadway groups using the diversion closure and pressure relief principle.The pressure relief methods of blasting and drilling were applied in the danger zone of rock burst，which decreased greatly the concentrated stress and energy.

deep roadway，serried roadway groups，rock burst，mining condition，energy tranfer，pressure relief technique

TD353

A

劉宏軍（1964-），男，河北灤南人，正高級工程師，博士，開灤集團副總工程師。