以超前應(yīng)力分析應(yīng)用為突破口助力安全高效礦井建設(shè)

文/吳 昕

平煤股份四礦作為中國平煤神馬集團(tuán)唯一一家四組九層聯(lián)合開采礦井，煤層間存在復(fù)雜壓茬關(guān)系，保護(hù)煤柱上下重疊布置，兩翼多煤層同時(shí)開采，導(dǎo)致應(yīng)力復(fù)雜多變、相互疊加，尤其是隨著礦井采深增加和服務(wù)年限延長，造成礦井布局困難、巷道失修嚴(yán)重和前掘后翻、回采邊采邊修等一系列問題，給采掘接替、安全生產(chǎn)和礦井達(dá)標(biāo)創(chuàng)建工作帶來了嚴(yán)重影響。

近年來，四礦經(jīng)過深入研究和持續(xù)探索，找出了解決上述問題的關(guān)鍵因素，即把應(yīng)力超前分析作為突破制約安全生產(chǎn)瓶頸的有效手段和達(dá)標(biāo)創(chuàng)建的重要抓手，通過5年多持續(xù)不懈的努力，有效破解了深井高地壓支護(hù)和礦井高應(yīng)力瓦斯治理難題，有力推動(dòng)了安全高效礦井建設(shè)。目前，四礦巷道失修率逐年降低，年節(jié)約巷修資金4000萬元以上；在防治突出上，措施針對(duì)性更強(qiáng)、效果更好，杜絕了瓦斯事故。

一、抓源頭，找準(zhǔn)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化切入點(diǎn)

1.對(duì)高應(yīng)力認(rèn)識(shí)不足導(dǎo)致支護(hù)效果不理想

過去，四礦由于對(duì)多層開采互相擾動(dòng)造成的高異常應(yīng)力分布認(rèn)識(shí)不足，更多地認(rèn)為采深增加是高應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因，沒有很好解決應(yīng)力異常和支護(hù)之間的矛盾，支護(hù)效果不太理想，致使己16-17-23100切眼布置在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，支護(hù)難度增大，出現(xiàn)過“百日工程”；造成丁戊組石門大巷（大弧板段）及交岔點(diǎn)、戊九進(jìn)風(fēng)眼交岔點(diǎn)、三水平上車場、上水平穿層軌道、上水平皮帶下上段、主斜井二部等主要巷道破壞嚴(yán)重，采用多種支護(hù)方式，都沒有很好解決問題。

2．強(qiáng)化應(yīng)力分析研究，掌握復(fù)雜應(yīng)力分布規(guī)律，為巷道設(shè)計(jì)施工及超前采取措施提供依據(jù)

近年來，四礦重新審視技術(shù)攻關(guān)方向，以應(yīng)力分析為突破口，在反復(fù)研究及實(shí)踐論證下，查找出引起高應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因，主要是多煤層同時(shí)開采遺留煤柱與采掘活動(dòng)造成應(yīng)力集中相互疊加，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力分布異常。四礦在應(yīng)力分析研究的基礎(chǔ)上，掌握了復(fù)雜應(yīng)力分布規(guī)律，劃分出6種不同應(yīng)力種類：上覆煤層遺留煤柱造成的應(yīng)力集中、下覆煤層遺留煤柱造成的應(yīng)力集中、上覆煤層回采形成的動(dòng)壓區(qū)、下覆煤層回采對(duì)上層形成的采動(dòng)應(yīng)力、本煤層回采形成的動(dòng)壓區(qū)、多煤層同時(shí)開采形成的疊加應(yīng)力。

通過研究與掌握遺留煤柱和應(yīng)力集中區(qū)的基本情況，為巷道設(shè)計(jì)施工以及超前采取措施提供了可靠依據(jù)。

一是巷道布置必須有效避開應(yīng)力集中區(qū)，優(yōu)先布置在應(yīng)力降低區(qū)；無法避開的，優(yōu)化支護(hù)參數(shù)、提高支護(hù)強(qiáng)度。比如，四礦己15-23130風(fēng)巷外段350m巷道，壓力大、變形嚴(yán)重、支護(hù)困難。研究發(fā)現(xiàn)該段巷道處于上覆丁組采區(qū)三角煤柱區(qū)內(nèi)，形成了遺留煤柱應(yīng)力集中區(qū)。四礦通過系統(tǒng)分析論證煤柱應(yīng)力影響范圍，測算應(yīng)力集中系數(shù)，并依據(jù)耦合讓均壓支護(hù)理論，對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提升了該段巷道支護(hù)強(qiáng)度，巷道斷面收縮率控制在10%以內(nèi)。目前，四礦在采面回采過程中，遇見斷層不再采取跳眼措施，而是直接推進(jìn)，避免因遺留煤柱引起下部巷道圍巖應(yīng)力集中。

二是存在壓茬關(guān)系的巷道，避免同時(shí)開采造成相互采動(dòng)影響。比如，根據(jù)生產(chǎn)接替計(jì)劃，該礦己15-23090、戊9-10-21050兩個(gè)采面將同時(shí)回采，但由于兩采面存在上下壓茬關(guān)系，考慮到相互采動(dòng)應(yīng)力影響，暫緩了戊9-10-21050的開采。

三是高度關(guān)注相鄰礦井的采掘布置和開采情況，存在壓茬關(guān)系的，充分考慮同時(shí)開采及上部留設(shè)小煤柱造成的應(yīng)力相互影響。比如，四礦己16-17-21270采面回采期間，與二礦庚組采面回采存在上下壓茬關(guān)系，因沒有及時(shí)了解情況和采取措施，造成該采面機(jī)風(fēng)巷支護(hù)失效，被迫進(jìn)行二次返修。鑒于此教訓(xùn)，四礦己15-23090采面與二礦庚20-21140采面存在壓茬關(guān)系，經(jīng)過與二礦溝通以及經(jīng)集團(tuán)總辦室協(xié)調(diào)，二礦庚20-21140采面暫緩開采。目前，四礦己組工作面穿越一四和四六礦丁戊邊界煤柱時(shí)，通過超前應(yīng)力分析、相互溝通協(xié)調(diào)，加強(qiáng)三探一防和支護(hù)措施，消除了突出危險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了有效支護(hù)，確保了安全生產(chǎn)。四礦通過在應(yīng)力分析方面的探索與實(shí)踐，有效解決了相鄰礦井因采動(dòng)影響和遺留煤柱造成的巷道支護(hù)難題，為支護(hù)工藝優(yōu)化、巷道合理布置提供了依據(jù)、創(chuàng)造了條件。

二、求突破，破解安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化瓶頸制約

1.探索形成超前應(yīng)力分析應(yīng)用科學(xué)有效的思路及方法

近年來，四礦把應(yīng)力超前分析作為礦井技術(shù)管理的切入點(diǎn)，以圍巖應(yīng)力分布理論為基礎(chǔ)，將應(yīng)力分析工作貫穿于工程全過程，探索形成了事前預(yù)判、事中控制、事后總結(jié)的一整套行之有效的超前應(yīng)力分析應(yīng)用的思路和方法。

一是在工程設(shè)計(jì)前，采取現(xiàn)場調(diào)查、理論分析、數(shù)值計(jì)算等方式，對(duì)工程區(qū)域進(jìn)行全面應(yīng)力分析，找出應(yīng)力集中影響范圍及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，作為工程設(shè)計(jì)和瓦斯治理的依據(jù)。

二是在施工過程中，把應(yīng)力集中區(qū)作為工作重點(diǎn)，注重應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，特別是把支護(hù)質(zhì)量和瓦斯超前防治作為關(guān)鍵，為工程施工提供科學(xué)指導(dǎo)。

三是在工程施工后，開展應(yīng)力分析總結(jié)，對(duì)支護(hù)效果、瓦斯防治及施工情況進(jìn)行回顧，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)及失誤教訓(xùn)，為以后同類工程的設(shè)計(jì)及施工提供借鑒。

2.應(yīng)力超前分析應(yīng)用為礦井安全高效生產(chǎn)提供有力支撐

在超前應(yīng)力分析這一思路的引領(lǐng)下，四礦選準(zhǔn)薄弱環(huán)節(jié)，加快技術(shù)攻關(guān)，有效組織實(shí)施，有力破解了巷道支護(hù)、防突消突、高產(chǎn)高效等方面的瓶頸制約，取得了顯著成效。

一是實(shí)現(xiàn)了巷道有效支護(hù)。通過超前應(yīng)力分析，四礦科學(xué)確定支護(hù)形式與支護(hù)強(qiáng)度，在支護(hù)上實(shí)現(xiàn)了“支的住、支的省”。針對(duì)丁戊組石門大弧板、三水平上車場、三水平穿層軌道等重要地點(diǎn)圍巖流變、破碎破壞狀況，采用“三噴二錨二注漿”支圍一體化錨注技術(shù)，有效解決了高地壓永久巖巷支護(hù)難題。經(jīng)過應(yīng)力預(yù)判分析，不僅保證了巷道支護(hù)質(zhì)量，增加了巷道服務(wù)年限，減少了巷道重復(fù)維修，而且大幅節(jié)約了材料投入，如己15-23130機(jī)風(fēng)巷、己15-31020機(jī)風(fēng)巷等工程，累計(jì)節(jié)約維修費(fèi)用3500多萬元，節(jié)約材料費(fèi)用800多萬元。

二是提高了瓦斯防治水平。近年來，在超前應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，四礦在應(yīng)力集中區(qū)采取針對(duì)性強(qiáng)化措施，相繼開展了高位鉆孔穿層抽采、風(fēng)巷埋管抽采上隅角和采空區(qū)瓦斯、順層鉆孔抽采保護(hù)層本煤層瓦斯、高抽巷同時(shí)抽采保護(hù)層和被保護(hù)層瓦斯等技術(shù)的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯災(zāi)害的有效防治。如針對(duì)己15-31040機(jī)巷穿越四六礦丁戊組邊界煤柱應(yīng)力集中區(qū)，瓦斯突出危險(xiǎn)性增大等問題，四礦在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)加密卸壓鉆孔，由6米每組增加到3米每組，確保卸壓效果，實(shí)現(xiàn)超前消突。

三是推動(dòng)了礦井高產(chǎn)高效。隨著巷道一次支護(hù)質(zhì)量的提高，錨網(wǎng)技術(shù)的有效廣泛應(yīng)用，以及瓦斯異常突出等一系列問題的解決，礦井生產(chǎn)力得到進(jìn)一步解放，生產(chǎn)效率大幅提高。如己16-17-23140采面切眼工程，通過超前應(yīng)力分析，避開應(yīng)力集中區(qū)布置，下分層切眼大斷面一次成巷支護(hù)成功，相比以前同類工程工期縮短一半，工效提高一倍以上。

總之，四礦以應(yīng)力分析為突破口，通過持續(xù)探索實(shí)踐，構(gòu)建形成了一套集現(xiàn)場論證、規(guī)律分析、技術(shù)應(yīng)用、參數(shù)優(yōu)化于一體，行之有效的應(yīng)力分析工作思路，逐步破解了巷道變形嚴(yán)重、支護(hù)施工困難、單進(jìn)水平較低和瓦斯異常動(dòng)壓等瓶頸制約，為深井高地壓巷道布置、支護(hù)施工和瓦斯治理等方面做出了有益探索，從而助推了安全高效礦井建設(shè)。