疊加應力場中切眼貫通期間沖擊地壓綜合防治技術

劉 巖 徐 恒 隋 樂

（1.山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東 濟寧 272155；2.山東科技大學能源與礦業工程學院，山東 青島 266000）

1 掘進工作面概況

陽城煤礦3308 切眼導硐布置在3 煤層，沿煤層底板掘進，巷道埋深850～920 m，埋深較大，切眼傾斜寬150 m（平距），井下實際長度173 m，皮帶順槽掘進到位后沿切眼向上掘進5 m 停止掘進，由切眼向下掘進貫通，如圖1。

圖1 3308 工作面平面分布示意

根據陽城煤礦地應力實測結果分析，3308 工作面切眼附近區域垂直應力為最小主應力19.7 MPa，最大水平主應力為水平構造應力，約為35.0 MPa。在高地應力疊加構造應力組成的復雜應力場中，切眼巷道貫通具有沖擊地壓危險，需要進行貫通期間沖擊地壓綜合防治技術研究。

2 切眼貫通期間沖擊危險主控因素及誘沖機制

根據3308 工作面貫通區域地質及生產技術條件，分析研究沖擊地壓的主要影響因素及影響區域，闡明潛在沖擊地壓發生類型及機理[1-5]。

2.1 埋深影響

隨著開采深度的增加，煤層中的自重應力增加，煤巖體中積聚的彈性能也隨之增加[6]。3308 工作面煤層埋深840～920 m，整體埋藏較深。掘進貫通期間，工作面切眼的埋深正處于強礦壓顯現危險指數急劇上升的階段。

2.2 掘進擾動影響

切眼巷道在掘進過程中會產生擾動應力，在大采深條件下，擾動應力使得原巖應力重新分布[7]，擾動應力與其他沖擊危險因素應力疊加后能夠使得擾動影響區域煤巖輕易達到沖擊時的應力水平。

2.3 煤層沖擊傾向性

根據沖擊傾向性試驗研究結論，煤層頂底板均具有弱沖擊傾向性，具有沖擊傾向性的煤體易產生應力集中而集聚較多的彈性變形能，在掘進過程中彈性能的釋放易發生沖擊地壓。

2.4 構造應力影響

3308 工作面切眼內地質構造主要為斷層，在相變區域（煤巖交界）存在構造應力，和擾動應力疊加后應力集中程度進一步增大，可能發生沖擊。設計3308 工作面切眼貫通區域剛好處于皮帶順槽揭露落差約10 m 正斷層上盤，斷層處巖層的不連續性導致斷層本身的不穩定性，在高應力作用下，斷層比完整巖層先行運動。隨著切眼向下掘進，其掘進頭擾動應力影響范圍不斷向前發展，最終到達斷層影響區域，斷層本身構造應力與掘進頭擾動應力疊加，使斷層附近的壓力增高，如圖2。

圖2 超前支承壓力與斷層構造應力疊加

3 切眼貫通期間沖擊地壓防治關鍵技術方案

掘進工作面剩余50 m 貫通范圍內，掘進時應力疊加，有可能誘發沖擊地壓。基于工作面沖擊地壓影響因素及沖擊地壓發生機理，研究建立工作面切眼貫通沖擊地壓防治關鍵技術方案，保證安全貫通。

3.1 鉆屑法監測

鉆頭直徑42 mm，鉆屑煤粉量臨界值2.56～5.79 kg/m。掘進期間在迎頭及迎頭后幫部60 m 范圍內每天檢測一次。

3.2 應力在線監測

3308 皮帶順槽到位停止掘進后，在貫通點安裝應力在線測點，監測貫通區域的應力情況。測點間距不大于25 m，深度分別為8 m、14 m，淺孔與深孔間距不大于2 m。應力計初始應力值不得低于6 MPa，不得高于8 MPa，穩壓應力值不得低于3.5 MPa。

圖3 3308 工作面應力在線布置

3.3 微震監測

3308 工作面掘進過程中及時安裝微震檢波探頭，對新開拓區域進行監測覆蓋。在工作面共布置6 個SOS 微震檢波器，如圖4。

圖4 3308 工作面微震測點布置

3.4 加強支護

如圖5，在切眼導硐頂板使用全錨索，頂板錨索每排6 棵，采用Φ21.6 mm×7500 mm、Φ21.6 mm×4500 mm 兩種規格錨索，間排距800 mm×1600 mm，鋪設雙重金屬網，配合W 鋼帶提升護表能力；兩幫均鋪設菱形網，左幫采用4 棵Φ21.6 mm×2500 mm 錨索，間排距900 mm×800 mm，錨索配合W 鋼帶盤、錨索托盤進行支護。右幫采用Φ20 mm×2200 mm 高強錨桿，錨桿下壓錨桿盤，規格150 mm×150 mm×10 mm，錨桿盤下壓W 鋼帶盤，網片采用規格為900 mm×3000 mm的菱形網。

圖5 巷道斷面支護（mm）

采用單元支架+單體對柱十字梁棚方式支護，單元支架5 m 一組，在切眼下端頭皮帶順槽段30 m范圍內，5 m 間距安裝支架6 臺，架單體棚13 架。

3.5 工作面貫通期間卸壓措施

皮帶順槽到位停掘后，皮帶順槽生產幫正對切眼位置施工4 個大直徑卸壓鉆孔，孔深不小于30 m，直徑150 mm。停掘迎頭施工7 個卸壓鉆孔，孔深20 m。垂直迎頭施工3 個卸壓鉆孔，兩側各布置2個扇形鉆孔，扇形鉆孔方位角分別為30°、60°。

切眼迎頭布置超前卸壓孔5 個，垂直迎頭布置3 個，在迎頭左、中、右側布置，孔深22 m，并保證不少于12 m 的卸壓保護帶；布置扇形超前卸壓孔2 個，分別偏向兩幫45°，孔深20 m。幫部卸壓孔間距1.2 m，孔深20 m，孔徑150 mm，迎頭掘進前后兩幫卸壓孔滯后迎頭均不得大于5 m。

4 沖擊危險狀態“三場”耦合分析防沖方案優化

通過分階段定期分析3308 工作面切眼區域震動場、能量場演變規律，結合CT 反演波速應力場，進行沖擊危險“三場”耦合分析，分析沖擊危險變化規律，對工作面切眼貫通沖擊地壓監測及防治關鍵技術進行優化并實施。

4.1 震動場監測分析

根據礦震監測分析，斷層切割作用導致煤柱能量釋放有所減弱，但附近區域事件數量仍然較為密集，斷層煤柱及切眼與皮帶順槽之前的實體煤區域為重點監測區域，巷道掘進擾動能量釋放較為活躍，應及時做好卸壓工作。隨后現場采取迎頭施工3 個卸壓孔，幫部卸壓孔滯后迎頭不大于5 m 的強化措施，避免了擾動引起斷層活化能量釋放，降低了沖擊危險性。

4.2 能量場監測分析

如圖6，皮帶順槽掘進到位后，沖擊變形能密度有所降低，受切眼恢復掘進的影響，切眼與皮帶順槽之間的未掘區域及工作面實體煤區域沖擊變形能仍然降低，說明對貫穿區域采取強化貫穿卸壓措施后，貫穿區域煤體應力得到了良好釋放，具有較好的卸壓效果。

圖6 掘進期間沖擊變形能演化云圖

4.3 鉆屑法監測分析

鉆屑檢驗結果表明，皮帶順槽掘進及切眼維護期間，鉆屑值均未達到臨界水平，兩巷靜載應力相對較低，卸壓效果良好，煤巖靜載穩定性相對較高。如圖7，切眼朝向皮帶順槽掘進貫通期間，鉆屑量峰值均處于較小值，說明迎頭及煤幫15 m 范圍內煤體應力集中程度較低；同時，工作面出現較強礦震時，鉆屑數據并未顯示異常，動靜疊加效應不明顯，煤體卸壓效果較好。

圖7 工作面貫通期間鉆屑量曲線圖

4.4 主動波CT 反演效果分析

在貫通前，對貫通區域進行了主動波CT 反演，利用地震波射線對工作面的煤巖體進行透視，通過地震波走時和能量衰減的觀測，對工作面的煤巖體進行了成像，經分析，采取強化措施有效保證了貫通區域煤體的低應力狀態。

5 結論

沖擊地壓煤巷掘進過程中，特別是掘進工作面將要貫通時，貫通區應力集中分布異常，是防治沖擊地壓過程中較難預防的時期，嚴重影響礦井安全生產。通過開展3308 工作面貫通期間沖擊危險主控因素及誘沖機制研究，分析出貫通區域沖擊危險主控因素，制定了工作面切眼貫通沖擊地壓監測及防治關鍵技術方案。在方案實施過程中，通過沖擊危險狀態“三場”耦合分析研判，進行防沖方案優化，有效保證了工作面貫通區域的煤體低應力狀態，實現了安全貫通。該貫通期間沖擊地壓綜合防治技術的成功應用，不但對陽城煤礦安全生產具有重要意義，也為我國同類型沖擊地壓防治提供了理論依據及現場支撐。