沖擊地壓煤層大型構(gòu)造區(qū)巷道掘進(jìn)防沖技術(shù)研究與應(yīng)用*

呂大釗，亢曉濤，聶書遙

（1.陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司，陜西 長(zhǎng)武 713600；2.陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽 712000）

0 前 言

沖擊地壓是礦山開采與巷道開掘中的一種動(dòng)力災(zāi)害[1-2]。目前對(duì)動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍有待進(jìn)一步深入，監(jiān)測(cè)預(yù)警水平還相對(duì)較低，很多礦井受地質(zhì)條件限制，如斷層等影響導(dǎo)致其沖擊地壓事件頻發(fā)[3-8]。陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)孟村煤礦開采的4#煤層均厚16m，埋深普遍700m～890m，最大水平主應(yīng)力為31.5MPa，屬高地壓型、強(qiáng)沖擊傾向性煤層。礦井中央大巷布置五條巷道，受X1向斜（延展1455m）、DF29斷層（H＞30m）和 B2背斜（延展 2980m）等大型構(gòu)造影響顯著，掘進(jìn)期間曾發(fā)生沖擊顯現(xiàn)2次，防沖形勢(shì)嚴(yán)峻。以中央一號(hào)輔運(yùn)大巷防沖為例，對(duì)巷道在大型地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)掘進(jìn)期間的防沖技術(shù)進(jìn)行探討。

1 工程背景

中央一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷沿4號(hào)煤層中部布置，掘進(jìn)方位270°，坡度為-2～+3.5°范圍。中央一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷斷面凈尺寸20.1m2，墻基礎(chǔ)100mm。水溝布置于巷道北幫，規(guī)格為寬×高=400×400mm；地坪厚度300mm，鋪底混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。中央一號(hào)輔運(yùn)大巷位置見圖1。

圖1 中央一號(hào)輔運(yùn)大巷平面圖

臨時(shí)支護(hù)采用金屬吊環(huán)與空心鋼管組成的前探梁。圖2為該巷道臨時(shí)支護(hù)平面圖、剖面圖。前探梁由3根4m長(zhǎng)的3寸厚皮鋼管制成，鋼管壁厚6mm。吊環(huán)采用4寸厚壁鋼管制作，長(zhǎng)度為150mm，吊環(huán)上牢固焊接與支護(hù)錨桿配套的高強(qiáng)螺帽。前探梁一律采用一梁三環(huán)吊掛方式，正常施工時(shí)，前后吊環(huán)間距為1400mm，左右前探梁間距為1400mm，前探梁必須緊跟迎頭前移。前探梁上方用方木背實(shí)接頂，并用木楔加緊。方木規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×厚=1800×150×100mm。

循環(huán)進(jìn)尺為0.7m，最小控頂距為0.3m，割煤后最大控頂距為1.0m。當(dāng)巷道進(jìn)入巖層，且在頂板圍巖堅(jiān)硬穩(wěn)定情況下，最大空頂距為1.7m，最小控頂距不變。若工作面頂板出現(xiàn)巖層破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育時(shí)，立即縮小循環(huán)進(jìn)尺至0.7m。施工地點(diǎn)必須備足臨時(shí)支護(hù)材料，9個(gè)備用吊環(huán)、20塊木楔、20塊背板。垛放整齊，存放地點(diǎn)距迎頭不大于50m。

圖2 巷道臨時(shí)支護(hù)平面圖、剖面圖

掘進(jìn)迎頭處于X1向斜和DF29斷層之間，距離X1向斜軸部、DF29斷層分別為80m和72m，掘進(jìn)期間對(duì)工作面迎頭、兩幫和底板采取了大直徑鉆孔卸壓處理，迎頭卸壓孔每輪3個(gè)，長(zhǎng)80m，孔徑113mm，三花型布置，每掘進(jìn)65m施工下一輪卸壓孔；兩幫及底板卸壓孔參數(shù)如表1所示。

表1 兩幫及底板卸壓孔參數(shù)表

2018年7月6日9：12分該巷道掘進(jìn)時(shí)，迎頭區(qū)域發(fā)生沖擊地壓，導(dǎo)致工作面掘進(jìn)前方1m長(zhǎng)×1.5m高煤體向巷道內(nèi)拋出，迎頭向外5m范圍內(nèi)右?guī)拖蛳镏衅?.6～1m，頂部有大量小塊煤體脫落，十余塊木托板被打翻或破裂。

2 沖擊地壓影響因素分析

2.1 地質(zhì)構(gòu)造因素

中央一號(hào)大巷掘進(jìn)區(qū)域處于X1向斜和DF29斷層之間，受褶曲及斷層構(gòu)造的復(fù)合作用影響，該區(qū)域煤體應(yīng)力集中程度高，且斷層存在活化現(xiàn)象，在掘進(jìn)擾動(dòng)作用下極易誘發(fā)沖擊地壓。該礦微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，巷道掘進(jìn)至X1向斜和DF29斷層復(fù)合構(gòu)造區(qū)時(shí)，微震事件的頻次和能量上升幅度達(dá)到30%，沖擊危險(xiǎn)性顯著升高。

2.2 巷道布置因素

中央一號(hào)輔運(yùn)大巷附近的中央一號(hào)回風(fēng)大巷、中央膠帶大巷率先掘進(jìn)完成，區(qū)間煤柱均為35m，造成中央一號(hào)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)前方為寬度75m的“孤島煤柱”。兩側(cè)巷道的水平側(cè)向應(yīng)力疊加，導(dǎo)致煤柱體內(nèi)應(yīng)力高度集中。

3 沖擊地壓防治方案

3.1 卸壓方案

3.1.1 巷道實(shí)施二次鉆孔卸壓

即中央一號(hào)輔運(yùn)大巷暫停掘進(jìn)，對(duì)迎頭35m范圍內(nèi)兩幫及底板實(shí)施二次鉆孔卸壓，鉆孔長(zhǎng)度20m，孔間距0.7～1.4m，垂直巷幫，如表2所示。

表2 二次卸壓鉆孔參數(shù)表

3.1.2 “孤島煤柱”卸壓

從中央一號(hào)輔運(yùn)大巷兩側(cè)的巷道（中央一號(hào)回風(fēng)大巷和中央膠帶大巷）向中央一號(hào)輔運(yùn)大巷掘進(jìn)前方施工卸壓孔，并保持卸壓范圍始終超前掘進(jìn)迎頭20m以上，具體如表3、圖3所示。

表3 兩幫及底板卸壓孔參數(shù)表

圖3 兩側(cè)巷道鉆孔布置平、剖面圖

3.1.3 強(qiáng)化支護(hù)方案

增強(qiáng)錨索支護(hù)強(qiáng)度，即將巷道錨索在原“五五”布置基礎(chǔ)上每排增加3根（右肩補(bǔ)1根，右?guī)脱a(bǔ)2根），排距由1.4m調(diào)整為0.7m，其他支護(hù)參數(shù)不變，如圖4所示。

圖4 巷道斷面支護(hù)圖

增加U型支架支護(hù)。即對(duì)掘進(jìn)迎頭距斷層20m處開始增設(shè)29U型支架，支架間距700mm，相鄰兩支架之間采用拉桿進(jìn)行鏈接，支架頂及幫采用道木背實(shí)，后進(jìn)行噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

4 微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

采取強(qiáng)化卸壓措施前，微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2018年6月6日～7月6日（30天）該巷道共發(fā)生微震事件491次，其中105J和104J（大能量，有破壞性）共計(jì)72次，占比達(dá)14.66%，具體如圖5、表4所示：

圖5 6月6日～7月6日微震事件分布圖

表4 6月6日～7月6日微震事件統(tǒng)計(jì)表

采取強(qiáng)化卸壓措施后，微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2018年7月8日～8月6日（30天）該巷道共發(fā)生微震事件213次，其中104J能量事件35次，無105J以上能量事件，具體如圖6、表5所示：

表5 7月8日～8月6日微震事件統(tǒng)計(jì)表

圖6 7月8日～8月6日微震事件分布圖

從圖7所示的中央一號(hào)輔運(yùn)大巷6月7日～8月6日微震活動(dòng)規(guī)律可以看出，采取防沖措施后一個(gè)月內(nèi)該巷道微震事件的能量和頻次均顯著降低，頻次減少56.6%，沖擊危險(xiǎn)程度大幅降低，保障了巷道的安全掘進(jìn)。

圖7 中央一號(hào)輔運(yùn)大巷6月7日～8月6日微震活動(dòng)規(guī)律

5 結(jié)論

1）中央一號(hào)輔運(yùn)大巷沖擊地壓影響因素以大型地質(zhì)構(gòu)造為主導(dǎo)，受X1向斜和DF29斷層構(gòu)造復(fù)合作用影響，煤體應(yīng)力集中程度高，掘進(jìn)期間極易誘發(fā)沖擊地壓。

2）多巷平行掘進(jìn)時(shí)，要合理組織巷道呈“階梯式”先后掘進(jìn)，避免兩側(cè)巷道先掘、中間巷道后掘，導(dǎo)致中間巷道掘進(jìn)前方形成高應(yīng)力集中的“孤島煤柱”。

3）對(duì)于多巷平行掘進(jìn)形成的“孤島煤柱”，可采取從臨近巷道向掘進(jìn)巷道施工卸壓鉆孔的方法，有效降低煤柱體內(nèi)的應(yīng)力集中程度，大幅降低沖擊危險(xiǎn)性。

4）防治煤礦沖擊地壓要采取強(qiáng)卸壓與強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合的“雙強(qiáng)”防沖措施，二者相輔相成，不可偏廢其一。