工程缺陷法防治回采巷道沖擊地壓技術(shù)研究

張旭東

【摘 要】 針對(duì)深部礦井巷道受沖擊地壓影響危險(xiǎn)性高的問(wèn)題，本文以1315工作面為研究對(duì)象，提出了通過(guò)人為制造缺陷，降低甚至消除巷道沖擊地壓發(fā)生的能量源，達(dá)到防沖目的。根據(jù)工作面地質(zhì)條件，將兩順槽掘進(jìn)和回采期間分別劃分4個(gè)和6個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域。提出采用煤層爆破和注水的工程缺陷防治沖擊地壓，通過(guò)鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)卸壓后壓力值可知，工程缺陷法卸壓取得了良好效果，為類似條件沖擊地壓防治提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】 沖擊地壓;工程缺陷;危險(xiǎn)區(qū)域;煤層注水

【中圖分類號(hào)】 TD324 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）01-0004-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

沖擊地壓是一種常見(jiàn)的礦山動(dòng)力災(zāi)害，特別是隨著我國(guó)煤礦逐步進(jìn)入深部開采，地質(zhì)條件、開采條件等越發(fā)復(fù)雜，面臨的沖擊地壓?jiǎn)栴}日趨嚴(yán)重。近年來(lái)，由于國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于沖擊地壓的研究取得較大的進(jìn)展，如一體化震動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、高精度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和缺陷法沖擊地壓防治技術(shù)等，對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)和防控具有重要意義。但是由于開采深度的增加和地質(zhì)條件的復(fù)雜，導(dǎo)致工作面回采后煤巖體積聚的能量高，造成沖擊地壓的防治仍然是一項(xiàng)難題。本文提出通過(guò)采用缺陷法防治沖擊地壓，降低甚至消除巷道沖擊地壓發(fā)生的能量源，達(dá)到防沖目的，提高巷道的穩(wěn)定性。

1 工作面概況

1315工作面位于某礦東翼深部采區(qū)，埋深約750m～1035m。主采3下煤層，厚度為2.2～4.5m，平均傾角12°。直接頂為厚0～2m砂質(zhì)泥巖，基本頂為厚10m中砂巖，直接底為厚2m砂質(zhì)泥巖，基本底為厚16m細(xì)砂巖，柱狀圖如圖1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得3下煤層具有弱沖擊傾向性。

2 工程缺陷法防治沖擊地壓機(jī)理

工程缺陷法防治沖擊地壓是通過(guò)人為制造缺陷，改變煤巖層的變形破壞形態(tài)、應(yīng)力集中程度、沖擊能量積聚和釋放特征，進(jìn)而使沖擊能量在有效的時(shí)間和空間范圍內(nèi)得以連續(xù)、均衡、緩慢地釋放和耗散，防止了沖擊地壓的發(fā)生。

對(duì)于沖擊煤層特別是深部條件下開采過(guò)程中出現(xiàn)了沖擊顯現(xiàn)的區(qū)域存在應(yīng)力集中和能量積聚，具備了發(fā)生沖擊地壓的條件，在該區(qū)域進(jìn)行巷道的掘進(jìn)面臨著沖擊地壓的威脅，需要預(yù)先進(jìn)行卸壓，但卸壓的實(shí)施又不能造成巷道掘進(jìn)、支護(hù)的困難和非連續(xù)性，因此采用制造工程內(nèi)缺陷的方法，達(dá)到既能保障巷道的正常掘進(jìn)與支護(hù)，又能控制巷道掘進(jìn)和支護(hù)期間沖擊地壓的發(fā)生。這種從外形上看沒(méi)有明顯人工缺陷，但在煤巖體內(nèi)部形成工程缺陷的施工技術(shù)稱為工程內(nèi)缺陷技術(shù)，其中最為典型的內(nèi)缺陷技術(shù)措施為煤層注水?dāng)U隙和爆破增裂。

煤層注水可以改變沖擊煤巖體的物性場(chǎng)：促使原有裂隙的擴(kuò)脹及貫通，增大裂隙密度，用水充填了原有裂隙空間，破壞了煤體內(nèi)基質(zhì)顆粒之間的膠結(jié)物的結(jié)構(gòu)和完整性，減小了膠結(jié)物之間的摩擦系數(shù)，提高了煤體黏性趨勢(shì)、降低了煤體的脆性特征。

煤巖層爆破措施可以促使原有裂隙的擴(kuò)脹及貫通，增加新裂隙，提高裂隙密度。

注水?dāng)U隙和爆破增裂能夠降低服務(wù)巷道高應(yīng)力區(qū)域煤巖體的強(qiáng)度、改變其變形破壞特征、提高其裂隙密度，促使高應(yīng)力的轉(zhuǎn)移，降低甚至消除了巷道沖擊地壓發(fā)生的力源。

應(yīng)力的轉(zhuǎn)移帶動(dòng)能量的傳遞，同時(shí)裂隙的擴(kuò)展、貫通和增加釋放了部分能量，顯著降低了巷道圍巖的能量梯度，降低甚至消除了巷道沖擊地壓發(fā)生的能量源。

注水?dāng)U隙和爆破增裂擴(kuò)展和貫通了原有裂隙的同時(shí)增加了新的裂隙，增加了巷道圍巖破碎區(qū)域和塑性破壞區(qū)的長(zhǎng)度，提供了裂隙密度，大大增大了巷道阻抗沖擊地壓發(fā)生的能力。

3回采巷道沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域

3.1掘進(jìn)期間危險(xiǎn)區(qū)域

1315工作面頂板巖層主要為f>5.5的細(xì)砂巖、粉砂巖，工作面回采后易形成懸頂，積聚能量，當(dāng)基本頂斷裂釋放巨大的能力時(shí)，會(huì)誘發(fā)沖擊地壓。

1315工作面掘進(jìn)期間共劃分了4個(gè)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。其中，弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域3個(gè);中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域1個(gè)，如表1所示。

3.2回采期間危險(xiǎn)區(qū)域

1315工作面回采期間共劃分了6個(gè)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。其中，弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域4個(gè);中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域2個(gè)，如表2所示。

4工程實(shí)踐

根據(jù)工程缺陷防治機(jī)理和方法的分析，采用高壓注水?dāng)U隙和密集爆破增裂耦合的內(nèi)缺陷技術(shù)進(jìn)行該區(qū)域沖擊地壓的防治。1315工作面采用密集爆破卸壓，增加新的裂隙，進(jìn)行高壓注水，增大原有裂隙的擴(kuò)展和發(fā)育，防治沖擊地壓。

4.1煤層爆破

1315工作面兩順槽掘進(jìn)后采用鉆屑法監(jiān)測(cè)到煤粉量超標(biāo)后，立即進(jìn)行“巷道掘進(jìn)端頭扇面循環(huán)爆破”，鉆孔爆破示意圖如圖2所示。

工作面順槽迎頭安排3個(gè)爆破孔，孔深度8.0m，孔間距1.0m，孔徑Φ42mm，鉆孔距離底板1.2m。

4.2煤層注水

1315工作面回采前，在兩順槽施工鉆孔進(jìn)行高壓注水，超前采面注水距離不小于200m，在軌道布置6個(gè)注水鉆場(chǎng);膠帶順槽布置10個(gè)注水鉆場(chǎng)，注水壓力8～10MPa，注水參數(shù)如表3、表4所示。

5效果檢驗(yàn)

1315工作面采用工程缺陷防治沖擊地壓后，沖擊能量大幅度降低，高能級(jí)已被人工缺陷耗散并轉(zhuǎn)化為低能級(jí)沖擊地壓，能量被控制并緩慢消除。為檢驗(yàn)防治效果，通過(guò)安裝應(yīng)立計(jì)在線監(jiān)測(cè)，觀測(cè)該區(qū)域回采時(shí)靜態(tài)和在動(dòng)壓影響下的應(yīng)力變化情況，? 在工作面軌道順槽距離沖擊危險(xiǎn)區(qū)域外50m處布置第一個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，向回采方向每隔30m布置一臺(tái)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

由圖2可知，軌道順槽靠煤壁側(cè)壓力值隨著工作面的開采，逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)，且壓力值始終小于4.5MPa，位于安全范圍值之內(nèi)，可見(jiàn)工程缺陷防治沖擊地壓取得了良好效果。

6結(jié)論

本文以1315工作面為研究對(duì)象，提出了通過(guò)人為制造缺陷，采用煤層注水?dāng)U隙和爆破增裂的方式，改變煤巖層的變形破壞形態(tài)、應(yīng)力集中程度、沖擊能量積聚和釋放特征，降低甚至消除了巷道沖擊地壓發(fā)生的能量源，達(dá)到防治沖擊地壓的目的。

根據(jù)1315工作地質(zhì)條件，受端側(cè)、初壓、見(jiàn)方等影響，兩順槽掘進(jìn)和回采期間分別劃分了4個(gè)和6個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域。根據(jù)劃分的危險(xiǎn)區(qū)域，提出采用工程缺陷煤層爆破和注水的方法防治沖擊地壓，并設(shè)計(jì)了施工參數(shù)。

兩順槽采用爆破和注水卸壓后，采用鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)應(yīng)力狀況驗(yàn)證卸壓效果，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，壓力值始終小于4.5MPa，工程缺陷法卸壓在1315工作面取得良好效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]呂大釗，亢曉濤，聶書遙.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[J].煤礦現(xiàn)代化，2019（6）：46-48，51.

[2]王福軍，李先志.老虎臺(tái)礦高應(yīng)力煤柱區(qū)巷道掘進(jìn)沖擊地壓防治技術(shù)[J].煤礦安全，2018，49（9）：122-123，127.

[3]王博，魏宏超.沖擊地壓超前卸壓鉆孔技術(shù)在高家堡礦的研究與應(yīng)用[J].能源與環(huán)保，2018，40（6）：44-47.

[4]張瑞璽.開灤礦區(qū)深部煤層沖擊地壓監(jiān)測(cè)與防治體系研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015.

[5]姜耀東，潘一山，姜福興，等.我國(guó)煤炭開采中的沖擊地壓機(jī)理和防治[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（2）：205-213.

[6]潘立友，張若祥，孔繁鵬.基于缺陷法孤島工作面沖擊地壓防治技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41（6）：14-16，45.

[7]楊志鵬.大直徑鉆孔卸壓防治沖擊地壓探討[J].江西煤炭科技，2019（2）：129-131，135.

[8]劉曉飛.中央采區(qū)孤島煤柱區(qū)沖擊地壓防治技術(shù)實(shí)踐[J].江西煤炭科技，2019（2）：163-166，169.