厚煤層沿空巷道貫通階段沖擊地壓防控技術*

楊 琛，趙玉桃，李 強 ，張明祿，梁少劍

(1.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710000；2.陜西陜煤銅川礦業有限公司，陜西 銅川 727000)

0 引言

近年來，隨著開采深度與開采強度的增加，我國煤礦沖擊地壓災害日益嚴重，多起重大沖擊地壓事故接連發生，造成巨大財產損失和人員傷亡。2018年10月20日，山東龍鄆煤業發生沖擊地壓導致井下21人遇難[1-2]；2019年6月和8月，吉林龍家堡煤礦和河北唐山礦先后發生沖擊地壓事故，共造成16人遇難[3-6]；2020年春節剛過，山東新巨龍礦井發生沖擊地壓事故，造成4人死亡[7]；我國沖擊地壓災害的防治形勢仍較為嚴峻。對于沖擊地壓礦井而言，沿空巷道一直是重點防治區域[8]。近年來，在采掘期間，發生在沿空巷道內的沖擊事故層出不窮，造成了巨大的人員和財產損失。而在沿空巷道掘進期間，尤其是巷道貫通階段，其沖擊地壓帶來的威脅則更為突出[9-10]。崔木煤礦所采的3號煤層及其頂板均具有沖擊傾向性，沿空掘進期間多次發生動力顯現，大大增加了巷道貫通時期的沖擊危險性，如何確保巷道安全貫通成為該礦防沖工作面臨的技術問題。對此，崔木煤礦開展巷道貫通時期的技術研究，并在21306工作面機巷順槽成功應用。

1 掘進工作面概況

崔木煤礦目前主采21盤區，21306工作面為21盤區的第6個工作面，設計巷道位于3號煤層中，煤層厚度約為16～19 m。21306機巷緊靠21305風巷，位于花園陽坡向斜東翼，東鄰21305工作面采空區，南為中央3條主要大巷(回風、皮帶、輔運)。工作面起止標高663～717 m，平均傾向寬1 517 m。21306機巷全斷面為矩形錨網梁索支護。巷道按中線設計坡度施工，凈斷面尺寸為5.5 m×3.55 m(寬×高)，S凈=19.525 m2。錨桿間排距為800 mm×800 mm。頂部錨桿采用W鋼帶梁支護，巷道里端掛菱形網，頂板錨索采用直徑為φ17.8 mm鋼絞線制作，長度為7 300 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm。

21306機巷鄰近21305采空區，采掘期間動力顯現頻繁，嚴重影響巷道的掘進速度，因此，21306風巷在掘進到位之后，繼續掘進切眼，切眼完成之后，則開始反掘21306機巷，使得21306機巷呈相向掘進狀態。在兩迎頭相向掘進時，由于煤炮震動頻繁，巷道底鼓及下沉現象嚴重，則在相距150 m時停止了機巷里段的掘進，由中段巷道完成最后的貫通階段，21306工作面機巷貫通區域具體位置如圖1所示。

圖1 21306工作面機巷貫通區域位置Fig.1 The location of the run-through area of 21306 machine roadway

2 貫通期間沖擊危險性分析

2.1 貫通期間主要沖擊影響因素

開采深度：21306機巷工作面對應開采垂直深度為650～700 m。根據資料統計，21306工作面具備沖擊地壓發生的埋深條件。

煤層沖擊傾向性：崔木煤礦21盤區煤層及頂板沖擊傾向性的測試結果表明，該煤層及頂板具有弱沖擊傾向。表明其煤巖系統具有誘發沖擊地壓的能力[11]。

頂板巖層條件：21306工作面距離煤層最近的一層為中砂巖頂板。位于煤層上方10 m左右的位置，厚度達到了18.78 m，造成采空區側頂板懸頂，從而使得煤柱側承載高應力[12]。

區段煤柱的影響：21306工作面機巷鄰近21305工作面采空區，區段煤柱為35 m左右。煤柱留設不合理造成煤柱及巷道側應力集中，巷道底鼓、兩幫移近等變形明顯。

底煤：21306工作面機巷布置在煤層中，底煤厚度不等，平均2～4 m。而煤層本身具有沖擊傾向性，使得底板成為巷道最為薄弱的區域，易發沖擊。

2.2 貫通期間沖擊危險性分析

根據上述影響因素，結合21306工作面地質及開采條件，利用FLAC3D數值模擬軟件對貫通時期的應力分布情況進行分析。模型走向長度160 m，傾向長度150 m，高度72 m。在模型上方依然有560 m厚度的巖層未模擬，按等效載荷代替。模型4個立面均固定法向位移，底面同樣固定法向位移。對21305采空區的模擬方法采用開挖—計算—充填—再計算的方法，模擬采空區垮落壓實的過程。為提高初始平衡運算速度，煤層、頂板和底板的采用同樣的單元格劃分標準。

對21305采空區和泄水巷提前進行開挖模擬，之后再進行21306機巷的掘進模擬，模型過程為每掘進10 m，計算250時步，依次循環。在貫通期間，兩側工作面相向掘進，超前支承壓力相互疊加，使得貫通區域具備較高的應力集中。通過數值模擬計算在貫通巷道剩余100 m時的垂直應力分布情況，21306機巷在貫通階段的垂直應力分布云圖如圖2所示。一方面，受到21305采空區側向應力的影響，整個煤柱為高應力區；另一方面，由于巷道貫通區域受兩側應力疊加，整體應力也較其他區域高。因此，在貫通階段，也是沖擊地壓發生的危險時期。為確保貫通時期的安全生產，采取多種防治手段避免沖擊事故的發生。

圖2 貫通階段垂直應力分布云圖Fig.2 Cloud map of vertical stress distribution in run-through stage

3 貫通期間沖擊地壓防治技術

3.1 沖擊地壓監測措施

3.1.1 微震監測

通過在21306里段加設微震探頭，可以實現對21306機巷未掘區域的微震監測。對于該期間的微震監測，首先要加快微震數據的處理速度，對于出現的大能量事件及時做好預警。整個貫通階段，微震分布情況如圖3所示。根據微震監測數據，在巷道相向掘進期間，隨著兩工作面之間距離的縮短，能量有明顯的增加態勢；當停止一側工作面的掘進后，微震能量快速回落；而在貫通階段，隨著貫通距離的縮短，在貫通距離不足80 m后，微震能量又快速增加，直至貫通結束。其中巷道貫通階段每天平均能量為1.50×105J，為平時掘進期間的1.5倍。整個巷道掘進階段，能量在5次方以上的微震事件共有8次，其中貫通階段就達到5次，可見巷道貫通期間仍是沖擊危險較高的時期之一。

圖3 貫通階段微震分布Fig.3 Microseismic distribution in the run-through stage

3.1.2 鉆屑法監測

鉆屑法監測參照前述正常掘進期間的鉆屑法施工方法。當貫通距離大于40 m時，迎頭和靠迎頭30 m范圍內區域，采用鉆屑法每天監測一遍；當貫通距離不足40 m時，對迎頭和靠迎頭30 m范圍內區域，要每班進行鉆屑法監測。當微震監測出現中等沖擊危險時，應立即進行鉆屑法驗證，確認無危險時，方可生產。在21306機巷貫通期間，針對在迎頭的6 次鉆屑法監測孔的每米煤粉量和鉆進距離進行分析，并繪制趨勢曲線，如圖4所示。孔深1～4 m時，21306工作面鉆屑量臨界值為1.88 kg/m；孔深5～10 m時，鉆屑量臨界值為3.1 kg/m。從圖4中可以看出，貫通期間監測中迎頭的煤粉量平均為2.07 kg/m，掘進迎頭3～5 m區間的煤粉量最大，在煤柱一側煤粉量最大的區域為5～8 m區間，并出現過一次超標情況，當班進行了卸壓處理。

圖4 迎頭鉆屑量統計曲線Fig.4 Statistical curve of head-on cuttings

3.2 沖擊地壓卸壓方法

3.2.1 迎頭卸壓

貫通距離大于40 m時，迎頭卸壓方式在正常掘進期間的卸壓基礎上進行調整，迎頭施工7個大孔徑鉆孔，上三下四布置，孔深20 m。當掘進迎頭至卸壓孔底部距離小于10 m時，按照上四下三方式補打下一輪鉆孔，如此循環，如圖5所示。當貫通距離小于40 m時，延長鉆孔深度，采用大直徑長鉆孔卸壓，深度增至40 m，以穿透貫通區域為宜。此后每掘進10 m，補打下一輪鉆孔。

圖5 掘進迎頭卸壓鉆孔布置示意Fig.5 Drilling arrangement for head-on pressure relief

3.2.2 兩幫卸壓

貫通距離大于40 m時，在21306中段巷道兩幫施工大孔徑卸壓鉆孔，滯后迎頭最小距離不超過10 m。鉆孔直徑φ133 mm，鉆孔深度15 m，封孔長度2 m，鉆孔高度1.2 m，兩幫鉆孔間距均為1.6 m，如圖6所示。21306里段兩幫未卸壓區域應補齊大孔徑鉆孔。當貫通距離小于40 m時，21306中段兩幫繼續施工大孔徑鉆孔，并跟緊近頭。21306里段迎頭位置處應禁止人員進入。

圖6 巷道幫部卸壓鉆孔示意Fig.6 Pressure relief drilling of roadway side

3.2.3 底板大孔徑卸壓

21306機巷貫通期間底板卸壓方式為：在煤柱一側的幫部底角處，按間距1.6 m，垂直于煤幫斜向下60°施工，卸壓孔深度施工至煤層底板，孔徑φ133 mm，距離迎頭不超過10 m。迎頭后方已掘巷道按照大孔徑鉆孔布置方式，逐步補齊底板大孔徑卸壓鉆孔。鉆孔布置如圖7所示。

圖7 底板卸壓鉆孔位置示意Fig.7 Pressure relief drilling of roadway floor

3.3 貫通期間其他措施

貫通階段，停掘區域禁止人員進入，并設立防護柵欄。凡是進入貫通區域的工作人員必須穿戴防沖帽和防沖背心。貫通區域迎頭后方60 m范圍內，物料和設備必須生根捆綁。貫通區域必須加強支護，采用錨網索支護時，錨索要加密。嚴格控制掘進速度，最大掘進速度控制在8 m/d以下。

3.4 防治效果

盡管在沿空巷道貫通期間，微震能量均增加明顯，但由于提前采取了預卸壓措施，并降低了掘進速度。最終實現了21306機巷的安全貫通，未發生一起沖擊地壓顯現，完成了礦井的生產任務。

4 結語

對于崔木煤礦21306工作面機巷，一是巷道臨近采空區，受側向支承壓力的作用；二是在掘進工作面將要貫通階段，受兩側超前支承壓力的疊加影響。2種情況造成21306機巷貫通期間的強沖擊危險性。在該階段，首先通過微震和鉆屑進行沖擊危險監測預警，對發現的危險及時進行處理，同時在貫通期間提前采取防治措施，針對迎頭前方、巷道兩幫和巷道底板分別采取大孔徑卸壓措施，尤其是迎頭區域施工超深大孔徑鉆孔。通過實施上述措施，有效地降低了21306機巷貫通期間的沖擊危險，該巷道安全順利貫通，為整個礦井的安全生產提供了技術保障。