高應(yīng)力區(qū)巷道掘進施工防沖安全技術(shù)

王 淵 張景祥

（1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.母杜柴登煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

國內(nèi)眾多學(xué)者對沖擊地壓礦井的巷道掘進安全進行了研究。朱斯陶等[1]對高應(yīng)力區(qū)掘進沖擊地壓事故機制進行了研究；楊佳旻[2]以門克慶煤礦為背景，制定了厚煤層堅硬頂板工作面沖擊地壓防治技術(shù)措施；郭光輝等[3]對沖擊地壓礦井掘進巷道卸壓鉆孔創(chuàng)新進行研究；馬斌文[4]對鉆孔卸壓防沖機制進行了研究；陳濤等[5]研究鉆孔卸壓中鉆孔周圍的應(yīng)力分布特征及影響卸壓效果的因素。但是面向采空區(qū)掘進的巷道安全技術(shù)研究較少，該類巷道呈現(xiàn)從正常應(yīng)力區(qū)向高應(yīng)力區(qū)過渡問題，而且存在交叉巷道沿空轉(zhuǎn)彎掘進。母杜柴登煤礦30207 工作面走向長度近6000 m，需中部區(qū)域沿傾向方向施工通風(fēng)措施巷，方便兩順槽通風(fēng)與運輸，通風(fēng)措施巷與工作面回風(fēng)巷交叉處距離切眼3166 m 處，掘進區(qū)間自東向西朝30208 采空區(qū)方向掘進。通過該礦工程經(jīng)驗礦壓顯現(xiàn)情況與沖擊地壓影響因素分析，確定不同沖擊危險區(qū)域具體位置，并制定不同危險區(qū)域綜合監(jiān)測方案與卸壓方案。特別采用在常規(guī)卸壓工程基礎(chǔ)上在掘錨機后兩幫增加施工2～4 個10°～50°傾角的斜孔達到進一步煤體增強卸壓的目的，并根據(jù)微震監(jiān)測確定了拐角處掘進風(fēng)險情況，保障在高應(yīng)力區(qū)向采空區(qū)掘進巷道安全。

1 概況

30207 工作面走向長約5800 m，傾向長300 m，煤層平均厚度5.92 m，埋深約640 m，相鄰30208工作面已經(jīng)回采完畢。通風(fēng)措施巷位于30207 工作面中部，長347 m，掘進方向自東向西朝30208 采空區(qū)掘進。當(dāng)掘進至距離30208 采空區(qū)剩余6 m 位置時，停止掘進，然后朝南沿空繼續(xù)掘進30207 回風(fēng)巷。30207 回風(fēng)巷與30208 工作面采空區(qū)留有6 m 小煤柱，X1 向斜經(jīng)過通風(fēng)措施巷中部區(qū)域。工作面通風(fēng)措施巷平面位置示意圖如圖1。

圖1 30207 工作面通風(fēng)措施巷位置示意圖

2 通風(fēng)措施巷掘進期間沖擊地壓影響因素分析

1）開采深度。30207 工作面開采深度在地面以下640 余米，此深度誘發(fā)沖擊地壓風(fēng)險大大增加。

2）沖擊傾向性。3-1 煤具有強沖擊傾向性，單軸抗壓強度為35.37 MPa，頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性。煤體強沖擊傾向性是影響巷道掘進期間沖擊危險性重要因素之一。

3）采空區(qū)。相鄰30208 工作面采空后，采空區(qū)上部巖層重量將向采空區(qū)周圍新的支承點轉(zhuǎn)移，從而在采空區(qū)四周形成支承壓力集中帶，是面向采空區(qū)掘進期間動力礦壓顯現(xiàn)的主要靜載力源。

4）巷道交叉。通風(fēng)措施巷掘進完畢后，朝南繼續(xù)施工30207 回風(fēng)巷，此時形成三角交叉區(qū)域。巷道交叉區(qū)域會引起附近煤巖體局部應(yīng)力集中，是掘進期間動力顯現(xiàn)的靜載力源。

5）地質(zhì)構(gòu)造。30207 工作面通風(fēng)措施巷掘進期間受X1 向斜影響，如圖2 中X1 向斜與通風(fēng)措施巷交叉。在斷層或者特殊構(gòu)造區(qū)域附近構(gòu)造應(yīng)力升高，動力災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險較大。

圖2 30207 工作面通風(fēng)措施巷沖擊危險區(qū)域劃分結(jié)果

6）掘進動載。該地區(qū)已有通風(fēng)措施巷掘進及小煤柱工作面回風(fēng)巷掘進期間均有明顯煤炮顯現(xiàn)，受鄰近采空區(qū)高應(yīng)力區(qū)掘進擾動影響是造成煤炮增多主要原因之一。

綜合以上因素得到30207 通風(fēng)措施巷掘進期間沖擊地壓主要影響因素為：1）靜載主要力源：30208 工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力、巷道交叉、褶曲附近構(gòu)造應(yīng)力影響。2）動載主要力源：掘進工作面自身動載擾動及掘進擾動下的采空區(qū)頂板活動。

3 通風(fēng)措施巷危險區(qū)域劃分

以往類似條件朝采空區(qū)掘進期間迎頭至距離回風(fēng)巷約150 m 時出現(xiàn)明顯片幫，迎頭至距離回風(fēng)巷約50 m 時，掘進區(qū)域迎頭后方巷道幫部中上部最大片幫量700～800 mm，且掘進期間迎頭有煤炮及炸幫。根據(jù)已有施工經(jīng)驗及沖擊地壓主要影響因素，進行危險區(qū)域劃分：

1）強沖擊風(fēng)險區(qū)：通風(fēng)措施巷距回風(fēng)巷0～50 m 位置，主要受30208 采空區(qū)側(cè)向支承壓力、巷道交叉影響。

2）中等沖擊風(fēng)險區(qū)：通風(fēng)措施巷距回風(fēng)巷50～120 m 位置，主要受采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響；通風(fēng)措施巷距回風(fēng)巷170～210 m 位置，主要受X1向斜影響。

其他區(qū)域為弱沖擊風(fēng)險區(qū)。

4 通風(fēng)措施巷掘進期間防沖監(jiān)測預(yù)警方案

沖擊地壓的發(fā)生是動載和靜載共同作用的結(jié)果，因此通風(fēng)措施巷掘進期間的沖擊危險性監(jiān)測需采取區(qū)域與局部監(jiān)測相結(jié)合的方法。區(qū)域監(jiān)測措施采用微震監(jiān)測法。局部監(jiān)測以采動應(yīng)力、鉆屑法為主。

4.1 微震監(jiān)測方案

1）臺網(wǎng)布置方案

30207 膠運巷與通風(fēng)措施巷交叉口兩側(cè)各布置一臺拾振器S1、S2，兩拾振器與通風(fēng)措施巷和回風(fēng)巷交叉口相距不大于1000 m；在通風(fēng)措施巷掘進迎頭后方滯后迎頭50～150 m 范圍內(nèi)布置探頭T1，滯后迎頭150～250 m 范圍內(nèi)布置探頭T2，形成4 個有效測點組成的監(jiān)測臺網(wǎng)。

2）預(yù)警指標

弱沖擊危險區(qū)域：∑E≥1.1×102J ，日頻次≥4 個，每米總能量≥1.8×103J；中等沖擊危險區(qū)域：∑E≥2.0×103J ，日總頻次≥8 個，每米總能量≥3.6×103J；強沖擊危險區(qū)域：∑E≥8.6×103J，日總頻次≥10 個，每米總能量≥8.6×103J。

4.2 采動應(yīng)力監(jiān)測方案

1）測點布置方案

煤體應(yīng)力計滯后迎頭≤30 m。通風(fēng)措施巷內(nèi)中等及弱沖擊危險區(qū)，兩幫安裝煤體應(yīng)力計，其中一幫安裝深孔14 m，另一幫安裝淺孔8 m，測點組間距30 m；強沖擊危險區(qū)采用深淺孔布置，安裝深度分別為14 m、8 m，組間距20 m，每組兩個應(yīng)力計組間距為1.0 m；安裝孔徑42～45 mm。

2）預(yù)警指標

強沖擊危險區(qū)域：淺孔≥14 MPa，深孔≥16 MPa；中等沖擊危險區(qū)域：淺孔≥12 MPa，深孔≥14 MPa；弱沖擊危險區(qū)域：淺孔，初始安裝壓力～12 MPa，深孔，初始安裝壓力～14 MPa。

4.3 鉆屑法監(jiān)測

1）掘進迎頭鉆孔布置

迎頭施工2個鉆孔，孔徑42 mm，鉆孔深度15 m，監(jiān)測頻率要始終滿足掘進工作面不小于5 m 的超前監(jiān)測距離；距底板垂直距離0.5～1.5 m，單排布置，鉆孔方向與巷幫垂直，平行于煤層，監(jiān)測間隔時間為1～2 d。

2）兩幫鉆孔布置

迎頭后方60 m 范圍內(nèi)正幫施工3 個鉆孔，參數(shù)同迎頭鉆屑法參數(shù)，其中監(jiān)測間隔時間為2～3 d。

3）鉆屑量沖擊危險臨界值

42 mm 鉆孔臨界值：鉆孔1～6 m 每米鉆粉臨界值為3.0 kg，7～12 m 臨界值為4.7 kg，13～15 m 臨界值為7.5 kg。

5 通風(fēng)措施巷掘進期間防沖措施

30207 回風(fēng)巷相鄰巷道30208 工作面膠運巷已施工水力壓裂措施，在工作面掘進期間難以向采空區(qū)側(cè)實施頂板預(yù)裂措施，故該次方案以煤層卸壓為主。常規(guī)卸壓孔施工為正頭卸壓和幫部卸壓，為增強卸壓效果，在常規(guī)卸壓基礎(chǔ)上，在掘錨機后兩幫增加施工2～4 個10°～50°傾角的斜孔增強煤體卸壓。

5.1 大直徑鉆孔預(yù)卸壓措施

5.1.1 中等沖擊風(fēng)險區(qū)預(yù)卸壓方案（距回風(fēng)巷50～120 m、170～210 m 段）

兩幫：通風(fēng)措施巷兩幫每隔2 m 實施一個大直徑鉆孔，鉆孔與巷幫垂直，距底板0.5～1.5 m，孔徑Φ150 mm，孔深20 m，滯后迎頭距離不超過40 m。

迎頭：在距離迎頭后方掘錨機與梭車之間施工迎頭斜卸壓孔，距底板1～1.2 m。1#鉆孔與巷道右?guī)统?7°夾角，孔徑Φ150 mm，孔深33 m；2#鉆孔與巷道右?guī)统?7°夾角，孔徑Φ150 mm，孔深31 m；左幫側(cè)類似。迎頭斜孔滯后迎頭距離不超過10 m 施工。

預(yù)留超前卸壓保護帶投影距離8 m，允許掘進距離≤12 m，單次施工不少于4 個鉆孔，循環(huán)執(zhí)行，如圖3。

圖3 距回風(fēng)巷50～120 m、170～210 m 段卸壓方案（m）

5.1.2 強沖擊風(fēng)險區(qū)預(yù)卸壓方案（距回風(fēng)巷0～50 m段）

距離回風(fēng)巷0～50 m 段受采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響最大，按強沖擊危險區(qū)管理。在迎頭施工三花孔并增加巷道兩側(cè)卸壓強度。

1）迎頭預(yù)卸壓方案。在迎頭布置3 個大直徑鉆孔，采用三花布置，孔深50 m，直徑150 mm，平行于煤層布置。

2）兩幫預(yù)卸壓方案。對巷道兩側(cè)各15 m 范圍內(nèi)煤巖體進行預(yù)卸壓，具體方案為：在迎頭斷面兩側(cè)各增加4 個卸壓孔，4#孔與右?guī)蛫A角10°，孔深50 m；5#孔與右?guī)蛫A角17°，孔深50 m；6#孔與右?guī)蛫A角25°，孔深36 m；7#孔與右?guī)蛫A角50°，孔深20 m；左幫側(cè)8#～11#孔與之類似。

距回風(fēng)巷0～50 m 范圍內(nèi)，兩幫每隔1 m 實施一個大直徑鉆孔，鉆孔與巷幫垂直，距底板0.5～1.5 m，孔徑Φ150 mm，孔深20 m。幫部鉆孔依據(jù)單日進尺緊貼迎頭施工，直至掘錨機位置。如圖4。

圖4 距回風(fēng)巷0～50 m 段掘進迎頭與幫部卸壓方案

3）二次預(yù)卸壓時機。一次預(yù)卸壓后，距回風(fēng)巷0～50 m 段掘進期間，每日掘進速度≤8 m/d。掘進期間加強監(jiān)測，兩幫片幫增大、監(jiān)測異常時，進行鉆屑檢驗，鉆屑超標時，停止掘進并再次解危卸壓（考慮采空區(qū)積水因素，迎頭卸壓孔及兩幫斜孔卸壓孔終孔位置不超過回風(fēng)巷正幫），鉆屑檢驗不超標后方可繼續(xù)掘進。

5.1.3 中等危險區(qū)域掘進期間預(yù)卸壓方案（回風(fēng)巷與通風(fēng)措施巷交叉口段）

幫部：僅在正幫施工，小煤柱側(cè)不再施工大直徑卸壓鉆孔；正幫每隔2 m 實施一個大直徑鉆孔，鉆孔與巷幫垂直，距底板0.5～1.5 m，孔徑Φ150 mm，孔深20 m，滯后迎頭距離不超過40 m。具體見圖5。

圖5 回風(fēng)巷與通風(fēng)措施巷交叉口段卸壓方案（m）

迎頭：距底板1～1.2 m，1#鉆孔與回風(fēng)巷副幫呈27°夾角，孔徑Φ150 mm，孔深33 m；2#鉆孔與回風(fēng)巷副幫呈17°夾角，孔徑Φ150 mm，孔深31 m。具體見圖5。

5.2 應(yīng)用效果

在施工完相關(guān)卸壓工程后，掘進期間片幫情況得到較大改觀，僅在第二根錨桿上下存在片幫破碎情況，片幫深度約0.5 m，較以往減少0.3 m。其中，高應(yīng)力區(qū)迎頭卸壓孔及斜孔以2～12 m 范圍煤炮較多，孔內(nèi)3 m 以里均出現(xiàn)塌孔，繼續(xù)施工直角孔和斜孔后，高應(yīng)力區(qū)壓力得到一定釋放。由弱到強風(fēng)險區(qū)域，鉆屑孔煤粉顆粒由粉狀轉(zhuǎn)換到顆粒狀，粒徑達到3 cm，表明在高應(yīng)力區(qū)鉆粉呈現(xiàn)大顆粒特點。微震事件顯示掘進通風(fēng)措施巷與回風(fēng)巷拐角內(nèi)側(cè)微震事件最多，應(yīng)力集中程度最高。應(yīng)力計在掘進迎頭后方有升高現(xiàn)象，迎頭后方3～15 m 范圍巷幫微震事件較多。在施工二次卸壓措施后，8 m 深應(yīng)力計平均應(yīng)力降低約1～2 MPa，說明淺部高應(yīng)力區(qū)朝深部轉(zhuǎn)移，沖擊風(fēng)險降低。

6 結(jié)語

1）通過分析向采空區(qū)掘進巷道的沖擊地壓影響因素，結(jié)合已有工程礦壓顯現(xiàn)情況，確定距采空區(qū)0～50 m 為高風(fēng)險區(qū)域，50～120 m 為中等風(fēng)險區(qū)域。

2）分區(qū)制定了高應(yīng)力區(qū)掘進“微震+應(yīng)力+鉆屑”綜合監(jiān)測方案，確定了預(yù)警指標。

3）高應(yīng)力沖擊風(fēng)險區(qū)的巷道掘進，在常規(guī)卸壓工程基礎(chǔ)上，在掘錨機后兩幫增加施工2～4 個10°～50°傾角的斜孔增強卸壓，效果良好。