多因素耦合下沖擊地壓巷道貫通研究與實(shí)踐

王建坤 梁東輝 李亞威

（濟(jì)寧市金橋煤礦，山東 濟(jì)寧 272200）

為加快巷道掘進(jìn)速度，保證巷道按時(shí)投入使用，井工煤礦常布置兩個(gè)掘進(jìn)迎頭相向掘進(jìn)，然后選擇合適位置進(jìn)行貫通，貫通時(shí)受多因素耦合影響，巷道圍巖應(yīng)力疊加[1]，容易發(fā)生巷道失穩(wěn)，若煤層本身具有沖擊傾向性，極易發(fā)生沖擊地壓。

本文針對(duì)金橋煤礦1304軌道順槽貫通實(shí)際，從最大主應(yīng)力、上覆巖層等方面對(duì)巷道貫通期間圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究，準(zhǔn)確評(píng)估貫通期間危險(xiǎn)性，超前采取針對(duì)性措施，確保1304軌道順槽安全順利貫通。

1 1304軌道順槽概況

金橋煤礦1304軌道順槽貫通區(qū)域標(biāo)高為-400～-440m， 埋 深 為 436.5～450.2m， 平 均 埋 深 為456.9m。1304軌道順槽西側(cè)為1316上工作面采空區(qū)，兩工作面間區(qū)段煤柱寬度約為6m，1304軌道順槽位于上分層遺留36m煤柱下，巷道貫通點(diǎn)位于沖刷帶內(nèi)。如圖1所示。

圖1 1304軌道順槽貫通位置平面圖

2 貫通區(qū)域巷道穩(wěn)定性研究

2.1 地應(yīng)力對(duì)貫通區(qū)域影響

根據(jù)金橋煤礦地應(yīng)力測(cè)試報(bào)告，金橋煤礦原巖應(yīng)力場(chǎng)的第一主應(yīng)力為水平應(yīng)力，其值大小為15.34～15.73MPa，方位角為 100.8° ～109.6°。水平應(yīng)力對(duì)巷道圍巖變形與穩(wěn)定性的作用如圖2所示。當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力平行，巷道受水平應(yīng)力的影響最小，有利于頂?shù)装宸€(wěn)定；當(dāng)巷道軸線與最大水平主應(yīng)力垂直，巷道受水平應(yīng)力的影響最大，頂?shù)装宸€(wěn)定性最差；當(dāng)兩者呈一定夾角時(shí)，巷道一側(cè)會(huì)出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，頂?shù)装宓淖冃闻c破壞會(huì)偏向巷道的某一幫。

1304軌道順槽設(shè)計(jì)方位角為8°，軌順與第一主應(yīng)力方向夾角在92.8°～101.6°之間，軌順掘進(jìn)方向與最大水平應(yīng)力方向近垂直，最大水平應(yīng)力對(duì)巷道影響較大，容易應(yīng)力集中。軌順貫通期間，圍巖體受?chē)鷰r水平應(yīng)力集中疊加影響，巷間圍巖破壞自表面向其中部延伸，貫通將導(dǎo)致巷間圍巖承載能力近乎喪失，造成巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[2]，容易發(fā)生冒頂、底鼓等現(xiàn)象。如圖3所示。

圖2 水平應(yīng)力方向與巷道變形

圖3 巷道掘進(jìn)時(shí)應(yīng)力分布情況

2.2 上覆巖層對(duì)貫通區(qū)域影響

金橋煤礦一采區(qū)3煤層埋藏深度在450m左右，煤層中的自重應(yīng)力隨著開(kāi)采深度的增加而增加，煤巖體中積聚的彈性能也隨之增加[3]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式α=γH式中，α為上覆巖層重力密度（一般取2.5MPa每100m），H為煤層的開(kāi)采深度。

將金橋煤礦相關(guān)數(shù)值帶入計(jì)算得出，煤層開(kāi)采深度450m，在無(wú)采動(dòng)影響的情況下煤層上覆巖層的自重應(yīng)力為11.25MPa。根據(jù)3#煤沖擊傾向性鑒定結(jié)果，3#煤層單軸抗壓強(qiáng)度范圍在4.62～11.70MPa之間，平均7.63MPa。工作面煤層上覆巖層自重應(yīng)力是煤層的單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度的1.47倍，其自重應(yīng)力已接近中等沖擊危險(xiǎn)，上覆巖層對(duì)巷道貫通有一定的影響。

2.3 上分層遺留煤柱對(duì)貫通區(qū)域影響

1304軌道順槽與1304上采空區(qū)之間煤柱為36m，掘進(jìn)期間在幫部開(kāi)展大直徑鉆孔預(yù)卸壓工作，卸壓孔深度為26m，卸壓孔間距根據(jù)公式（1）確定。卸壓孔間距布置原則為卸壓孔周?chē)男秹簠^(qū)相互貫通，形成弱化帶。

式中：

D-卸壓鉆孔間距，m；

k-卸壓鉆孔間距的危險(xiǎn)性修正系數(shù)，與鉆孔排粉有關(guān)。排粉質(zhì)量比b=m'/m，m'為單個(gè)卸壓鉆孔單位長(zhǎng)度實(shí)際排粉質(zhì)量，m為單個(gè)卸壓鉆孔單位長(zhǎng)度計(jì)算排粉量。對(duì)于弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)1.5≤b＜2，k=18.84；中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)2≤b≤3，k=12.56；強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)b＞3，k=6.28；

d-卸壓鉆孔施工鉆頭直徑，m，

K-變形模量指數(shù)，K=λ/E；

λ-應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值后軟化模量，MPa；

E-應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值前彈性模量，MPa。

根據(jù)金橋煤礦實(shí)際，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值，K取0.4，1304軌道順槽為中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)，k取12.56，d為0.11m，帶入公式（1），可得出D=2.58m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法調(diào)整，最終確定卸壓孔間距D取3m。

掘進(jìn)期間在36m遺留煤柱側(cè)按照間距3m、孔深26m布置預(yù)卸壓鉆孔，相當(dāng)于36m煤柱外側(cè)26m人為形成塑性變形區(qū)，最里側(cè)5m煤柱臨近1304上采空區(qū)，已發(fā)生塑性變形，真正彈性能積聚區(qū)為27～31m段5m煤柱[4]，外側(cè)26m煤柱應(yīng)力集中程度相對(duì)較低，1304軌道順槽貫通期間外側(cè)26m煤柱積聚能量較低，提高了巷道貫通期間的安全性。

3 1304軌道順槽貫通超前措施

根據(jù)上述分析，1304軌道順槽貫通期間主要受地應(yīng)力、上覆巖層自重影響，通過(guò)對(duì)遺留煤柱采取預(yù)卸壓措施，大大降低了對(duì)巷道貫通的影響，在強(qiáng)支護(hù)、強(qiáng)監(jiān)測(cè)的前提下，重點(diǎn)需做好強(qiáng)卸壓工作，確保貫通點(diǎn)位于卸壓保護(hù)帶內(nèi)。

1304軌道順槽在幫部施工預(yù)卸壓孔的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，距貫通50m時(shí)，在兩側(cè)迎頭超前施工大直徑鉆孔，每個(gè)迎頭施工3個(gè)鉆孔，呈“三花”布置[5]，孔深為25m，將50m貫通煤柱打穿，降低彈性能積聚，從而降低沖擊危險(xiǎn)性。如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)1304軌道順槽貫通期間巷道圍巖穩(wěn)定性研究，采取有效的幫部、迎頭預(yù)卸壓措施，確保1304軌道順槽安全貫通。通過(guò)對(duì)1304軌道順槽貫通總結(jié)，可得出如下結(jié)論：

（1）最大水平主應(yīng)力方向與巷道掘進(jìn)方向呈一定夾角時(shí)，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，巷道布置應(yīng)盡量做到與最大水平主應(yīng)力方向一致，從源頭降低最大水平應(yīng)力對(duì)巷道貫通的不利影響。

圖4 1304軌道順槽迎頭卸壓孔“三花”布置圖

（2）金橋煤礦3煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度在7.63MPa左右，遠(yuǎn)低于上覆巖層自重應(yīng)力的11.25MPa，因此上覆巖層自重應(yīng)力對(duì)巷道貫通有一定的影響。

（3）通過(guò)對(duì)金橋煤礦卸壓孔間距計(jì)算，金橋煤礦卸壓孔間距為3m時(shí)，卸壓區(qū)相互貫通，可形成有效的弱化帶。

（4）在距貫通50m時(shí)，通過(guò)在兩側(cè)迎頭“三花”布置預(yù)卸壓孔，可有效降低兩迎頭間50m煤柱應(yīng)力集中程度，起到較好的預(yù)卸壓效果。