以超前應力分析應用為突破口助力安全高效礦井建設

文/吳 昕

平煤股份四礦作為中國平煤神馬集團唯一一家四組九層聯合開采礦井，煤層間存在復雜壓茬關系，保護煤柱上下重疊布置，兩翼多煤層同時開采，導致應力復雜多變、相互疊加，尤其是隨著礦井采深增加和服務年限延長，造成礦井布局困難、巷道失修嚴重和前掘后翻、回采邊采邊修等一系列問題，給采掘接替、安全生產和礦井達標創(chuàng)建工作帶來了嚴重影響。

近年來，四礦經過深入研究和持續(xù)探索，找出了解決上述問題的關鍵因素，即把應力超前分析作為突破制約安全生產瓶頸的有效手段和達標創(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和礦井高應力瓦斯治理難題，有力推動了安全高效礦井建設。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，措施針對性更強、效果更好，杜絕了瓦斯事故。

一、抓源頭，找準安全生產標準化切入點

1.對高應力認識不足導致支護效果不理想

過去，四礦由于對多層開采互相擾動造成的高異常應力分布認識不足，更多地認為采深增加是高應力產生的主要原因，沒有很好解決應力異常和支護之間的矛盾，支護效果不太理想，致使己16-17-23100切眼布置在應力集中區(qū)內，支護難度增大，出現過“百日工程”；造成丁戊組石門大巷（大弧板段）及交岔點、戊九進風眼交岔點、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重，采用多種支護方式，都沒有很好解決問題。

2．強化應力分析研究，掌握復雜應力分布規(guī)律，為巷道設計施工及超前采取措施提供依據

近年來，四礦重新審視技術攻關方向，以應力分析為突破口，在反復研究及實踐論證下，查找出引起高應力產生的根本原因，主要是多煤層同時開采遺留煤柱與采掘活動造成應力集中相互疊加，進而導致應力分布異常。四礦在應力分析研究的基礎上，掌握了復雜應力分布規(guī)律，劃分出6種不同應力種類：上覆煤層遺留煤柱造成的應力集中、下覆煤層遺留煤柱造成的應力集中、上覆煤層回采形成的動壓區(qū)、下覆煤層回采對上層形成的采動應力、本煤層回采形成的動壓區(qū)、多煤層同時開采形成的疊加應力。

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

一是巷道布置必須有效避開應力集中區(qū)，優(yōu)先布置在應力降低區(qū)；無法避開的，優(yōu)化支護參數、提高支護強度。比如，四礦己15-23130風巷外段350m巷道，壓力大、變形嚴重、支護困難。研究發(fā)現該段巷道處于上覆丁組采區(qū)三角煤柱區(qū)內，形成了遺留煤柱應力集中區(qū)。四礦通過系統分析論證煤柱應力影響范圍，測算應力集中系數，并依據耦合讓均壓支護理論，對巷道支護參數進行優(yōu)化設計，有效提升了該段巷道支護強度，巷道斷面收縮率控制在10%以內。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，避免因遺留煤柱引起下部巷道圍巖應力集中。

二是存在壓茬關系的巷道，避免同時開采造成相互采動影響。比如，根據生產接替計劃，該礦己15-23090、戊9-10-21050兩個采面將同時回采，但由于兩采面存在上下壓茬關系，考慮到相互采動應力影響，暫緩了戊9-10-21050的開采。

三是高度關注相鄰礦井的采掘布置和開采情況，存在壓茬關系的，充分考慮同時開采及上部留設小煤柱造成的應力相互影響。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系，因沒有及時了解情況和采取措施，造成該采面機風巷支護失效，被迫進行二次返修。鑒于此教訓，四礦己15-23090采面與二礦庚20-21140采面存在壓茬關系，經過與二礦溝通以及經集團總辦室協調，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，通過超前應力分析、相互溝通協調，加強三探一防和支護措施，消除了突出危險，實現了有效支護，確保了安全生產。四礦通過在應力分析方面的探索與實踐，有效解決了相鄰礦井因采動影響和遺留煤柱造成的巷道支護難題，為支護工藝優(yōu)化、巷道合理布置提供了依據、創(chuàng)造了條件。

二、求突破，破解安全生產標準化瓶頸制約

1.探索形成超前應力分析應用科學有效的思路及方法

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

一是在工程設計前，采取現場調查、理論分析、數值計算等方式，對工程區(qū)域進行全面應力分析，找出應力集中影響范圍及礦壓顯現規(guī)律，作為工程設計和瓦斯治理的依據。

二是在施工過程中，把應力集中區(qū)作為工作重點，注重應力監(jiān)測數據分析，特別是把支護質量和瓦斯超前防治作為關鍵，為工程施工提供科學指導。

三是在工程施工后，開展應力分析總結，對支護效果、瓦斯防治及施工情況進行回顧，總結成功經驗及失誤教訓，為以后同類工程的設計及施工提供借鑒。

2.應力超前分析應用為礦井安全高效生產提供有力支撐

在超前應力分析這一思路的引領下，四礦選準薄弱環(huán)節(jié)，加快技術攻關，有效組織實施，有力破解了巷道支護、防突消突、高產高效等方面的瓶頸制約，取得了顯著成效。

一是實現了巷道有效支護。通過超前應力分析，四礦科學確定支護形式與支護強度，在支護上實現了“支的住、支的省”。針對丁戊組石門大弧板、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，有效解決了高地壓永久巖巷支護難題。經過應力預判分析，不僅保證了巷道支護質量，增加了巷道服務年限，減少了巷道重復維修，而且大幅節(jié)約了材料投入，如己15-23130機風巷、己15-31020機風巷等工程，累計節(jié)約維修費用3500多萬元，節(jié)約材料費用800多萬元。

二是提高了瓦斯防治水平。近年來，在超前應力分析的基礎上，四礦在應力集中區(qū)采取針對性強化措施，相繼開展了高位鉆孔穿層抽采、風巷埋管抽采上隅角和采空區(qū)瓦斯、順層鉆孔抽采保護層本煤層瓦斯、高抽巷同時抽采保護層和被保護層瓦斯等技術的研究與應用，實現了對瓦斯災害的有效防治。如針對己15-31040機巷穿越四六礦丁戊組邊界煤柱應力集中區(qū)，瓦斯突出危險性增大等問題，四礦在應力集中區(qū)內加密卸壓鉆孔，由6米每組增加到3米每組，確保卸壓效果，實現超前消突。

三是推動了礦井高產高效。隨著巷道一次支護質量的提高，錨網技術的有效廣泛應用，以及瓦斯異常突出等一系列問題的解決，礦井生產力得到進一步解放，生產效率大幅提高。如己16-17-23140采面切眼工程，通過超前應力分析，避開應力集中區(qū)布置，下分層切眼大斷面一次成巷支護成功，相比以前同類工程工期縮短一半，工效提高一倍以上。

總之，四礦以應力分析為突破口，通過持續(xù)探索實踐，構建形成了一套集現場論證、規(guī)律分析、技術應用、參數優(yōu)化于一體，行之有效的應力分析工作思路，逐步破解了巷道變形嚴重、支護施工困難、單進水平較低和瓦斯異常動壓等瓶頸制約，為深井高地壓巷道布置、支護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。