掘進巷道沖擊危險區(qū)探測及卸壓工程實踐

杜濤濤，楊 永，楊 磊，曲樂明

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京100013；2.托克遜縣雨田煤業(yè)有限責任公司，托克遜 838100；3.山東省鄆城煤礦，山東 鄆城 274718)

掘進巷道沖擊危險區(qū)探測及卸壓工程實踐

杜濤濤1，楊 永2，楊 磊1，曲樂明3

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京100013；2.托克遜縣雨田煤業(yè)有限責任公司，托克遜 838100；3.山東省鄆城煤礦，山東 鄆城 274718)

針對W1103膠帶巷掘進期間800～830m區(qū)域鉆屑監(jiān)測頻繁出現(xiàn)沖擊危險及現(xiàn)場卸壓效果差的問題，分析了應力異常的原因，通過改變大孔徑鉆孔施工設備及排粉方式，摸索了大孔徑強排粉的施工操作工藝，解決了大孔徑在應力異常區(qū)鉆不進的問題，實現(xiàn)了該區(qū)域的沖擊危險解危。研究表明，局部區(qū)域形成沖擊危險的主要原因是掘進方向煤層傾角的突然變化，在構造作用、臨近采空區(qū)側向應力及頂板活動的疊加作用下引起煤柱煤體高應力集中；W1103膠帶巷下幫6～13m易形成應力集中，并劃分了煤柱應力分布的6個區(qū)域，得到應力峰值區(qū)(II區(qū))為主要卸壓的區(qū)域，明確了應力峰值區(qū)鉆孔施工困難和低排粉量是制約卸壓效果的主要問題；通過改變鉆機排粉方式，依據(jù)大孔徑強排粉思想，現(xiàn)場實踐解決了鉆進過程吸鉆、卡鉆導致鉆不進的問題，實現(xiàn)了大孔徑強排粉煤體卸壓，單孔最大排粉量達5t，取得了較好的解危效果。

巷道掘進；沖擊危險；卸壓；大孔徑；強排粉；鉆屑監(jiān)測

1 工程背景

新疆某礦位于托克遜縣克爾堿礦區(qū)向斜南翼的中西部，煤層走向長約6.0km，寬約1.5km，呈東西向展布的近似梯形，面積約10.2697km2。

目前礦井開采一采區(qū)3-3煤層，開采水平范圍+600～+850m，地面標高+1070～+1370m，一采區(qū)工作面開采深度400～600m。W1102工作面為一采區(qū)第2個回采工作面，其北部為井田邊界，南部為W1101工作面采空區(qū)，W1102和W1101工作面之間煤柱為18m和36m；W1101和W1103工作面之間煤柱為35m。W1103工作面正在掘進，W1102工作面處于停采期間。礦井采掘工作面布置如圖1所示。

圖1 礦井工作面布置

一采區(qū)的頂?shù)装鍘r層結構特征如表1所示。3-3煤試樣的動態(tài)破壞時間平均值為37.60ms，沖擊能量指數(shù)平均值為3.44，彈性能量指數(shù)平均值為20.79，單軸抗壓強度平均值為27.82MPa，具有強沖擊傾向性的煤層；堅硬頂板砂礫巖單軸抗壓強度為122MPa，彎曲能量指數(shù)為169.88kJ，具有強沖擊傾向性。

表1 巖層結構特征

2 掘進巷道沖擊危險探測及存在問題

2.1 掘進巷道沖擊危險區(qū)域確定

2016年8月19日，W1103工作面膠帶巷掘進面位置為819.4m。鉆屑監(jiān)測表明，W1103工作面膠帶巷下幫817m處鉆屑超標，如圖2(a)所示。

2016年8月22日，W1103工作面膠帶巷815m上下幫處檢驗4個孔，815m處上、下幫2個鉆屑孔超標，如圖2(b)所示。

2016年8月26日，W1103工作面膠帶巷下幫810m處鉆屑孔煤粉量嚴重超標，815，820m位置鉆屑超標，具體如圖3所示。

2016年8月27日，在W1103工作面膠帶巷下幫816，821，822，824m鉆屑超標，如圖4所示。

圖2 W1103膠帶巷鉆屑監(jiān)測結果

圖3 2016年8月25日鉆屑監(jiān)測結果

圖4 2016年8月27日鉆屑監(jiān)測沖擊危險

通過鉆屑監(jiān)測，W1103工作面膠帶巷800～830m范圍鉆屑頻繁超標，該區(qū)域頻繁出現(xiàn)沖擊危險。

2.2 沖擊危險原因分析

根據(jù)鉆屑監(jiān)測結果，沖擊危險區(qū)域主要集中在W1103膠帶巷下幫800～830m煤柱側煤體，在該區(qū)域開展了反復鉆屑監(jiān)測、多輪卸壓，仍頻繁出現(xiàn)鉆屑超標、吸鉆、卡鉆，相比掘進期間其他區(qū)域，該區(qū)域沖擊危險性[1-2]更高。

(1)區(qū)域背斜構造影響 W1103工作面位于背斜構造的一翼，W1103膠帶巷掘進方向由背斜軸部附近向背斜一翼變化，W1103膠帶巷受地應力場影響顯著。

(2)局部小構造變化影響 0～800m煤層走向角度變化較小，煤層走向起伏在5～10°范圍；800～830m范圍煤層走向角度突然變陡，達到20～30°，煤層傾角突然變化改變了應力集中，影響了沖擊危險，如圖5所示。

圖5 W1103膠帶巷素描

(3)臨近W1101采空區(qū)的影響 W1101采空區(qū)側向應力對W1103膠帶巷煤柱應力集中有影響，W1101工作面(已采)與W1103工作面之間的區(qū)段煤柱尺寸為35m，容易形成應力集中。

(4)頂板活動的影響[3-6]W1101工作面回采過程中，未對其上覆堅硬頂板采取措施進行處理，在該危險區(qū)域掘進期間，微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到W1101采空區(qū)頂板活動頻繁，表明W1101工作面堅硬頂板垮冒及其穩(wěn)定性比較差。不僅容易引起側向懸頂，以及煤柱側向應力集中，且W1101頂板失穩(wěn)或者活動將增大W1103膠帶巷掘進過程沖擊危險。

綜上分析，該區(qū)域局部沖擊危險[7-11]形成的主要原因是煤層走向方向傾角的突然變化，在構造作用、臨近采空區(qū)應力及頂板活動的疊加作用下引起煤柱煤體高應力集中。

2.3 掘進工作面沖擊危險解危過程分析

防沖設計要求大孔徑鉆孔深度為20m，直徑為120mm，受設備、人員、煤體應力集中程度高的影響基本未施工到位，大孔徑卸壓孔深度主要集中在7～14m范圍。

現(xiàn)場施工大孔徑鉆孔頻繁遇到吸鉆、卡鉆、丟鉆桿的問題，由于擔心鉆桿丟失，一旦遇到吸鉆卡鉆現(xiàn)象時，就停止繼續(xù)施工，因此大孔徑深度達不到應力集中區(qū)，是造成反復卸壓仍然效果不好的根本原因。

大孔徑鉆孔排粉量受鉆孔深度的影響顯著。大孔徑鉆孔在低應力區(qū)，排出的鉆屑主要是大孔徑直徑范圍空間的煤粉；在高應力區(qū)，由于鉆進困難，又無法排除高應力區(qū)的煤粉，因此，低排粉造成煤體應力解除效果差。

綜上所述，大孔徑卸壓孔施工不到位是解危效果差的一個原因；另外，大孔徑鉆孔低排粉量使得相鄰大孔徑裂隙不能貫通，未形成卸壓空間，也制約了解危效果。

2.4 存在的主要問題

當鉆屑超標時，利用鉆屑孔進行裝藥爆破并采取了大孔徑鉆孔卸壓，但W1103工作面膠帶巷800～830m區(qū)域仍頻繁出現(xiàn)沖擊危險。通過分析確定了W1103膠帶巷在現(xiàn)場防沖過程中存在以下問題：

(1)多數(shù)煤體卸壓爆破孔未達到需要卸壓深度，尤其在10～11m范圍。因此，煤體卸壓爆破基本未起到?jīng)_擊危險解除的作用，卸壓效果有限。

(2)鉆屑監(jiān)測孔施工困難。由于吸鉆、卡鉆，很多鉆屑監(jiān)測孔未達到設計深度，應力峰值區(qū)比實際探測的深度可能更大。

(3)大孔徑鉆孔鉆進困難。采用大孔徑鉆孔進行卸壓，鉆進一定深度后，出現(xiàn)吸鉆、卡死，最終鉆桿及鉆頭丟在煤體里面，從而導致鉆桿及鉆頭取不出，致使無法有效卸壓。

(4)濕式排粉不利于大孔徑卸壓。采取的巖石鉆機鉆桿不是螺旋鉆桿，采用濕式排粉，在施工W1103膠帶巷俯角鉆孔時排粉困難，且濕式排粉量小，不利于卸壓。

實踐表明，鉆屑監(jiān)測對準確確定沖擊危險位置有重要作用，而大孔徑鉆孔卸壓[12]是掘進巷道主要的預卸壓手段。因此，鉆孔施工困難，直接制約了監(jiān)測與卸壓效果，嚴重影響了掘進工作面安全。

3 掘進工作面大孔徑強排粉現(xiàn)場實踐

3.1 大孔徑強排粉卸壓思路

現(xiàn)場鉆屑過程表明7～11m頻繁出現(xiàn)吸鉆卡鉆，鉆進困難的現(xiàn)象， W1103膠帶巷下幫應力峰值較深，初步判斷6～13m易形成應力集中，由于鉆屑監(jiān)測及大孔徑施工困難的影響，無法準確確定更深應力集中的位置。

35m的寬煤柱受臨近W1101采空區(qū)側向應力的影響，寬煤柱會形成應力峰值區(qū)，考慮煤柱寬度較大，結合臨近W1102工作面煤柱側鉆屑監(jiān)測結果，綜合判斷W1103工作面膠帶巷煤柱可能形成馬鞍型分布，如圖6所示。

圖6 W1103膠帶巷下幫煤柱應力分布示意

Ⅰ區(qū)：應力升高區(qū) 距W1103膠帶巷下幫0～6m，現(xiàn)場巷道比較完整、變形較小，判斷距該區(qū)域應力較低，未發(fā)生塑性破壞。

Ⅱ區(qū)：應力峰值區(qū) 距W1103膠帶巷下幫6～11m，該區(qū)域應力高，容易發(fā)生塑性破壞，當應力集中到一定程度易誘發(fā)沖擊地壓顯現(xiàn)。

Ⅲ區(qū)：應力疊加形成的塑性區(qū) 現(xiàn)場大孔徑濕式排粉施工過程出現(xiàn)水消失的現(xiàn)象，判斷該區(qū)域應力高煤體發(fā)生了塑性破壞。

Ⅳ區(qū)：應力疊加形成的應力升高區(qū) 該區(qū)域應力高煤體受W1103膠帶巷和W1101采空區(qū)應力疊加影響。

Ⅴ區(qū)：W1101采空區(qū)影響的應力峰值區(qū) 采空區(qū)側向應力影響，煤柱應力高，依據(jù)W1102工作面煤柱鉆屑7～10m鉆粉量高的現(xiàn)象進行判斷。

Ⅵ區(qū)：W1101采空區(qū)影響的塑性區(qū) 該區(qū)域采掘擾動使煤體發(fā)生了塑性破壞，形成應力降低區(qū)。

因此，防沖工程的卸壓范圍必須覆蓋II區(qū)域，現(xiàn)場采取措施才能使煤柱應力降低并向深部轉移，才能提高沖擊地壓解危效果。

針對上述現(xiàn)場施工難題，重新購置了KHYD75型巖石電鉆，配套螺旋鉆桿，解決了濕式排粉問題；為解決吸鉆、卡鉆，鉆不進及丟鉆桿鉆頭問題，通過現(xiàn)場操作實踐，摸索出施工規(guī)律。具體步驟如下：

(1)當鉆進至應力峰值區(qū)，通過操作鉆機判斷可能出現(xiàn)吸鉆時，及時快速反應，調(diào)倒檔撤出一定長度，進行強排粉。

(2)根據(jù)出粉量尋找推進時機，同時，觀察排粉的顆粒大小，當出現(xiàn)大顆粒煤粉時，表明大孔徑鉆孔塌孔，大量的煤粉需要排，否則排粉不及時，可能卡死鉆機，一旦該現(xiàn)象出現(xiàn)應停止鉆進，調(diào)空檔進行強排粉。

(3)密切關注煤炮聲響，強排粉到一定程度，鉆孔周邊的煤體會發(fā)生破裂，產(chǎn)生煤炮，現(xiàn)場操作過程煤炮頻繁卡死鉆機，因此，當煤炮出現(xiàn)時，也應及時退出部分鉆桿進行強排粉，給出一定的排粉和煤體破裂卸壓時間，從而避開了煤體破裂過程吸鉆、卡鉆的問題。

(4)按上述規(guī)律進行施工大孔徑鉆孔解決了鉆不進的問題，最終實現(xiàn)強排粉對該區(qū)域煤體卸壓。

3.2 大孔徑強排粉現(xiàn)場實踐

按照大孔徑強排粉卸壓的思路，分別在W1103膠帶巷下幫805，807，810m進行現(xiàn)場實踐，強排粉量在805m處為5t，在807m處為0.6t，在810m處為5t，強排粉量效果顯著提升。如圖7所示，按照強排粉的理念，重點對800～830m區(qū)域進行大孔徑強排粉卸壓， 通過強排粉，大孔徑卸壓的范圍顯著提高，因此，現(xiàn)場實踐過程大孔徑的間距也由0.8m調(diào)整到2m。

圖7 大孔徑強排粉卸壓效果示意

鉆屑監(jiān)測結果正常，表明有效地解決了掘進期間的局部應力異常區(qū)的沖擊危險。

通過大孔徑強排粉卸壓實踐，解決了Ⅱ區(qū)的應力峰值區(qū)的施工，可以使大孔徑鉆孔施工至Ⅲ區(qū)，提高了卸壓效果，有效降低和轉移煤柱應力集中。

4 結 論

(1)W1103膠帶巷掘進期間，探測發(fā)現(xiàn)膠帶巷下幫800～830m區(qū)域易出現(xiàn)沖擊危險，其主要原因是掘進方向煤層傾角的突然變化，在構造作用、臨近采空區(qū)應力及頂板活動的疊加作用下引起煤柱側煤體高應力集中。

(2)鉆屑監(jiān)測結果表明W1103膠帶巷下幫6～13m易形成應力集中，初步劃分了煤柱應力分布的6個區(qū)域，得到II區(qū)為主要卸壓的區(qū)域。鉆孔施工困難和低排粉是制約卸壓效果的主要問題。

(3)針對濕式排粉困難及低排粉量的問題購置了鉆機并改進了施工工藝，通過實踐解決了鉆進過程吸鉆、卡鉆導致鉆不進的問題，實現(xiàn)了大孔徑強排粉煤體卸壓，取得了較好的解危效果。

后續(xù)W1102工作面回采及W1103工作面掘進過程，應繼續(xù)加強該異常區(qū)域的監(jiān)測與解危工作，避免沖擊地壓災害發(fā)生。

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[責任編輯：潘俊鋒]

Practice of Unloading Engineering and Rockburst Hazard Zone Exploration of Tunneling Roadway

DU Tao-tao1,YANG Yong2,YANG Lei1,QU Le-ming1

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Tuokexun Yutian Coal Co.，Ltd.，Tuokexun 838100，China；3.Yuncheng Coal Mine of Shandong Province，Yuncheng 274718，China)

To the problems of frequently rockburst hazard and the worst effect of unloading in field of drilling sludge monitoring during tunneling process between 800～830m of W1103 belt roadway，then the reasons of abnormal stress were analyzed，then enlarge hole diameter drilling equipment and dust emission method were changed，and operation technology of large diameter and strengthen dust emission was groping，the drilling difficulty with large diameter in abnormal stress area was solved，and rockburst hazard was reduced，the research showed that the main reasons of rockburst hazard in local area was coal seam incline angle changed abruptly，coal pillar stress concentration appeared under additive effects of structures，lateral stress of goaf and floor movement，stress concentration easily appeared between 6～13m of lower side of W1103 belt roadway，and six areas of coal pillar stress distribution was divided，stress peak area( the second area )was the main unloading area，the main problems of worse unloading effect were determined，which is drilling difficulty in stress peak area and low dust emission，dust emission way of drilling machine was changed，some problems like sucking and sticking were solved in practical，large diameter and strengthen dust emission unloading was realized，the largest dust emission amount in single hole could reached 5t，and better danger reduced could be reached.

roadway tunneling；rockburst hazard；unloading；large diameter hole；strength dust emission；drilling sludge monitoring

2017-02-06

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.020

國家自然科學基金資助項目(51574149)；國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0801401)

杜濤濤(1984-)，男，山東棗莊人，助理研究員，碩士，從事沖擊地壓研究工作。

杜濤濤，楊 永，楊 磊，等.掘進巷道沖擊危險區(qū)探測及卸壓工程實踐[J].煤礦開采，2017，22(4)：79-82，93.

TD

A

1006-6225(2017)04-0079-04

礦山壓力與災害控制