多巷布置條件下復合構造區防沖卸壓技術

王東杰，王 冰，朱剛亮

(陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

隨著開采深度的增加，沖擊地壓礦井數量在逐年增加，沖擊事故呈現多發趨勢。近年來，先后有大量學者在沖擊地壓發生機理、監測預警、防治措施等方面做出了大量的研究，先后總結、形成強度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、動靜載疊加誘沖等沖擊地壓理論[1 -5]，形成煤層鉆孔卸壓、煤層爆破卸壓、煤層注水、頂板爆破預裂等沖擊地壓防治成套技術[6 -15]。但大部分研究對象為采掘工作面，對于已成型的多巷布置條件下復合構造區防沖卸壓研究較少。以孟村煤礦5條中央大巷及地質復合構造區為背景，開展多巷布置條件下復合構造區防沖卸壓技術研究。

1 礦井概況

陜西彬長孟村煤礦煤層為近水平煤層，4號煤層為唯一可采煤層，埋深約為600～800 m，為典型深部礦井，埋深已超過當地煤田沖擊地壓臨界深度，且該煤層經鑒定為具有強沖擊傾向性的煤層。該礦中央大巷均布置在4號煤層中，埋藏深度在700 m以上，5條大巷均已施工至403盤區邊界，各大巷間距35 m，中央大巷附近布置有401101工作面，401101運順距離中央二號回風大巷200 m，具體布置如圖1所示。其中中央大巷附近賦存有DF29大斷層，其延展長度約3 km，較大的褶曲構造為 B2背斜、X1向斜。受井田煤大型褶曲和斷層等構造以及堅硬頂板的疊加影響，作為孟村礦井主要運輸及通風樞紐的5條中央大巷圍巖內集中靜載荷分布及應力演化規律異常復雜，在服務期間發生過沖擊地壓，嚴重影響礦井的正常生產。

圖1 礦井中央大巷平面布置Fig.1 Plan layout of central main roadway of coal mine

2 多巷布置復合構造區沖擊地壓機理及主控因素分析

根據能量準則，以單位體積煤巖體為研究對象，沖擊地壓是煤體 -圍巖系統在力學平衡狀態被打破時，釋放的能量大于破壞過程消耗的能量狀態下產生的動力現象，即采掘圍巖靜載荷與礦震誘發的動載荷疊加，超過了煤巖體沖擊破壞的臨界載荷時，就會誘發沖擊地壓。

2.1 多巷布置疊加構造影響下靜載荷分析

2.1.1 多巷布置應力分布規律

針對中央大巷5條巷道對稱布置，為分析中央大巷多巷布置條件下巷道圍巖應力分布情況，采用FLAC3D軟件對其進行模擬研究。為簡化模擬過程，模型為中央大巷3條巷道。模擬結果如圖2所示。

圖2 中央大巷巷道群應力分布云圖Fig.2 Cloud chart of stress distribution of central main roadway group

從圖2中可以看出，3條巷道在掘進過程中均出現了不同程度的應力集中，在巷道迎頭及兩側均有應力升高現象，其中兩巷之間的保護煤柱應力集中程度最高。因此，多巷布置條件下保護煤柱內容易積聚靜載荷。

2.1.2 斷層對靜載荷的影響

中央大巷5條巷道在掘進過程中先后揭露DF29斷層，該斷層長2.5 km，落差0～38 m。由于該斷層面的存在，導致斷層上、下盤之間表現出不同的應力分布狀態。

采用FLAC3D軟件模擬中央大巷DF29斷層區域應力分布狀態，模型如圖3所示。應力分布如圖4所示。

圖3 斷層模擬三維模型Fig.3 Three dimensional model of fault simulation

由圖4可知，由于斷層面的存在，斷層擾亂了附近煤體的應力分布。斷層端部出現了明顯的應力集中，且上下盤都是一端高應力集中，一端應力降低，端部應力近似呈蝶形分布。其中1#區域為上盤應力降低區，2#區域為上盤應力集中區，3#區域為下盤應力集中區，4#區域為下盤應力集中區，且4#應力降低幅度相比3#區域高達37.5%。說明在斷層上盤容易在巷道底板積聚靜載荷，斷層下盤容易在頂板積聚靜載荷。

圖4 斷層端部煤巖體垂直應力分布云圖Fig.4 Cloud chart of vertical stress distribution of coal and rock mass at the end of fault

2.1.3 褶曲對靜載荷的影響

褶曲構造的巷道群，構造的存在與底煤厚度的變化，不僅提高了巷道圍巖內支承壓力的水平，而且增加了巷道頂底板內水平應力的大小，從而為該段巷道沖擊啟動提供了增量靜載荷。該載荷的加入增強了對巷道底板的擠壓作用，如圖5所示，褶曲的存在導致了巷道煤柱區垂直應力增加甚至有可能超過沖擊臨界支承壓力。

圖5 褶曲構造區三巷掘進靜載荷疊加原理Fig.5 Static load superposition principle of three roadways excavation in folded structural area

圖5中P0為巷幫初始支承壓力，P1為非褶曲帶次生支承壓力，P2為褶曲帶次生支承壓力，N為非褶曲帶底板水平應力，N1為褶曲帶底板次生水平應力。

2.2 動載荷來源分析

通過圖1和圖6可知，401101工作面的回采擾動對中央大巷構造區沖擊地壓的發生具有重要的影響。中央大巷動載荷來源經過分析，主要有：采空區頂板斷裂；采空區頂板活動誘發斷層活化導致附近頂底板斷裂；采空區震源釋放的動載荷導致中央大巷高應力區頂底板斷裂。這幾種動載荷互相耦合，為中央大巷沖擊地壓啟動提供動載荷。

圖6 中央大巷構造區動載荷來源示意Fig.6 Schematic diagram of dynamic load sources in the structural area of central main roadway

礦井中央大巷本身存在的高靜載疊加巷間煤柱、褶曲、斷層等增量靜載荷使中央大巷復合構造區本身處于較高的危險狀態，若再疊加周圍產生的動載荷，極易發生沖擊地壓。

3 多巷布置復合構造區沖擊地壓控制技術

3.1 頂板定向長鉆孔水力壓裂

為了能夠快速弱化堅硬頂板巖層，釋放頂板堅硬巖層集聚的彈性能，削弱周邊采空區活動對中央大巷的影響，采用頂板定向長鉆孔水力壓裂在中央大巷上部人工制造“解放層”，以實現大范圍區域載荷水平的有效降低，進而達到控制中央大巷沖擊危險的目的。

根據中央大巷群所處地質構造情況、巷道布置參數及微震事件震源位置，大巷壓裂層位確定布置在距巷道頂板45 m高度的粗粒砂巖層內，如圖7所示。

圖7 頂板水力壓裂層位布置Fig.7 Layout of roof hydraulic fracturing layers

設計在中央膠帶運輸大巷596 m里程附近施工專用鉆場、壓裂區，卸壓方案設計布置5個鉆孔，其中孔1、孔2、孔3、孔4分別位于大巷區段煤柱上方，孔間距約40 m，孔5位于大巷保護煤柱上方，與孔4間距約70 m。鉆孔布置如圖8所示，鉆孔設計參數見表1。

圖8 定向孔水力壓裂1#～5#孔布置俯視Fig.8 Top view of directional hole hydraulic fracturing hole 1～5

表1 定向鉆孔設計參數

3.2 中央二號回風大巷頂板深孔預裂爆破

為降低401101工作面采空區上覆巖層運動對中央大巷復合構造區的影響，在中央二號回風大巷頂板巖層采取深孔預裂爆破，處理范圍為中央二號回風大巷內DF29斷層面兩側各215 m的頂板巖層，如圖9所示。

圖9 中央二號回風大巷頂板深孔爆破處理范圍Fig.9 Processing scope of roof deep hole blasting of central No.2 return air main roadway

根據距離中央二號回風大巷最近的4-2煤地質鉆孔顯示，中央二號回風大巷頂板以細粒砂巖、粗粒砂巖和中粒砂巖為主，巷道頂板35 m范圍內存在30 m左右的合層砂巖。401101工作面采空區覆巖活動通過砂巖層傳遞至中央大巷，故而采用深孔預裂爆破方法對砂巖頂板進行預裂處理。

在中央二號回風大巷偏向401101工作面方向施工頂板炮孔，炮孔間距10 m，單排布置，炮孔深度36 m，仰角75°，方位角0°。炮孔直徑75 mm，裝藥20 m，封孔16 m。采用φ60 mm被筒炸藥，每卷炸藥長度350 mm，重量1.1 kg/卷，裝藥線密度為3.2 kg/m，單孔裝藥量為64 kg。頂板預裂爆破方案如圖10所示。

圖10 中央二號回風大巷頂板預裂爆破方案Fig.10 Roof pre-splitting blasting scheme of central No.2 return air main roadway

3.3 中央大巷煤層分區分級卸壓方案

孟村煤礦中央大巷均布置在4號煤中部，大巷之間煤柱寬度35 m，底煤厚度平均10 m左右，須對順槽兩幫采取卸壓。通過降低卸壓區域內煤巖體強度，使得兩幫及底板煤巖體的應力集中度下降，將高應力區向兩幫及底板深處轉移；通過底板爆破震動誘發附近區域巷道圍巖內蘊藏彈性能的釋放，從而達到快速、大幅度降低巷道底板內的沖擊危險程度的目的。

卸壓區域主要包括：中央帶式輸送大巷DF29斷層面向外200 m；中央二號輔運大巷DF29斷層面向外210 m；中央一號輔運大巷DF29斷層面向外200 m；中央一號回風大巷DF29斷層面向外215 m；中央二號回風大巷DF29斷層面以外215 m，DF29斷層面以里100 m(巖巷除外)，如圖11所示。

卸壓順序為：區域1→區域2→區域3→區域4→區域5。

兩幫卸壓方法為：中央帶式輸送機大巷兩幫大直徑鉆孔卸壓，中央二號回風大巷兩幫大直徑鉆孔卸壓，中央一號輔運大巷南側煤壁大直徑鉆孔卸壓，中央一號回風巷大巷由于礦井運輸影響，南側幫部采取爆破卸壓，如圖12所示。底板卸壓方法為各條大巷均采取底板爆破卸壓。

圖11 卸壓區域Fig.11 Pressure relief area

圖12 幫部卸壓鉆孔分布示意Fig.12 Distribution of pressure relief drilling hole on the side

針對巷道底板采取底板爆破卸壓措施，施工位置為中央大巷的兩底角，開孔位置為巷道幫部，位于底板以上150～200 mm，如圖13所示。施工設備為全液壓坑道鉆機，爆破卸壓鉆孔直徑75 mm；施工參數見表2，采用φ60 mm被筒炸藥，每卷炸藥長度350 mm，重量1.1 kg/卷，裝藥線密度為3.2 kg/m。

表2 底板爆破卸壓設計參數

圖13 底煤爆破卸壓位置Fig.13 Location of floor coal blasting pressure relief

4 效果分析

選取2020年10月6日作為前后對比的界限，該時間前中央大巷構造區域開展了頂板及幫部局部集中卸壓等工作。圖14為卸壓階段及卸壓后時期微震月均頻次及月均能量變化情況，可以看出，采取頂板定向水力壓裂、頂板爆破預裂、大直徑鉆孔、煤層爆破等綜合卸壓措施后，微震月均頻次及月均能量持續大幅度降低，分別降至約6次/月、5.80×103J/月，防沖卸壓效果顯著。截止到目前，中央大巷復合構造壓裂區內再未發生過大能量微震事件。

圖14 微震月均活動變化情況Fig.14 Change of monthly average activity of microseisms

5 結論

(1)多巷布置條件下復合構造區靜載荷既有埋深產生的基礎靜載荷又有巷間煤柱、褶曲、斷層提供的增量靜載荷，二者疊加使靜載荷積聚處于高水平狀態，但斷層面附近存在一定范圍的應力降低區。

(2)分析401101工作面與中央大巷復合構造區的時空關系，結合中央大巷地質條件得出中央大巷動載荷來源主要有：401101工作面采空區頂板斷裂；401101工作面采空區頂板活動誘發DF29斷層活化導致附近頂底板斷裂；采空區震源釋放的動載荷導致中央大巷高應力區頂底板斷裂。這3種動載荷互相耦合，為中央大巷沖擊地壓啟動提供動載荷。

(3)為切斷401101工作面頂板活動對中央大巷的影響，在中央二號回風大巷施工切頂爆破孔；為實現增加靜載荷的釋放或轉移，在中央大巷構造區附近施工大直徑鉆孔、煤層爆破等措施；為弱化頂板對中央大巷復合構造區的影響，施工頂板定向長鉆孔水力壓裂。

(4)通過對動、靜載荷的分類處理，采取上述措施后中央大巷復合構造區微震月均頻次及月均能量持續大幅度降低，分別降至約6次/月，5.80×103J/月，防沖卸壓效果顯著。從此中央大巷復合構造壓裂區內再未發生過大能量微震事件。