永久硐室防沖安全性論證的探討

詹 平，高 陽，郭 鵬

(潞安集團(tuán) 綜合辦公室，山西 長治 046204)

近年來，由于綜采液壓支架的廣泛使用，采煤工作面支護(hù)強(qiáng)度的提高，沖擊地壓主要發(fā)生位置由工作面轉(zhuǎn)向巷道。據(jù)統(tǒng)計，煤礦沖擊地壓災(zāi)害70%以上發(fā)生在巷道。永久硐室是一種特殊的巷道，它服務(wù)年限長，且一般布置有大型設(shè)備，若將永久硐室布置在嚴(yán)重沖擊地壓煤層中，且不采取有效監(jiān)測及卸壓措施，一旦發(fā)生沖擊地壓將造成較大損失。

根據(jù)《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》第二十八條規(guī)定，“永久硐室布置在沖擊地壓煤層中的，不具備重新布置的條件的，需進(jìn)行安全性論證。在采取加強(qiáng)防沖綜合措施，確認(rèn)沖擊危險監(jiān)測指標(biāo)小于臨界值后方可繼續(xù)使用，且必須加強(qiáng)監(jiān)測?！币?guī)定中明確要求了不具備重新布置的條件的永久硐室應(yīng)該進(jìn)行安全性論證，并提出了防治措施和監(jiān)測的要求，但并未針對具體內(nèi)容展開描述。

目前，沖擊地壓的監(jiān)測措施主要包括微震監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、常規(guī)礦壓監(jiān)測(巷道表面位移監(jiān)測、錨桿錨索受力監(jiān)測等)等，沖擊地壓的治理措施主要包括大直徑卸壓鉆孔、水力壓裂、爆破卸壓等。

本文以某礦井不具備重新布置條件的永久硐室為基礎(chǔ)，對永久硐室防沖安全性論證的內(nèi)容、永久硐室的防沖綜合措施、永久硐室的防沖監(jiān)測三個方面進(jìn)行探討。

1 礦井概況

井田總體為單斜構(gòu)造，傾角約1～6°，局部有波狀起伏。井田先期開采地段斷層有7條。其中1條小斷層位于井底車場附近，但落差較小，為0～2 m，對巷道及硐室布置影響較小。井田內(nèi)，無巖漿巖侵入體。巷道掘進(jìn)時，發(fā)現(xiàn)3處小型沖刷帶?？傮w而言，井田地質(zhì)構(gòu)造簡單。

礦井主采煤層為3-1煤層，煤厚3.40～7.63 m，平均4.97 m，結(jié)構(gòu)簡單，屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。3-1煤試樣單軸抗壓強(qiáng)度最大值為40.80 MPa，最小值為30.44 MPa，平均值為35.37 MPa。3-1煤試樣彈性能量指數(shù)最大值為11.72，最小值為6.01，平均值為8.45。

3-1煤直接頂板主要為粉砂質(zhì)泥巖。老頂為粗粒砂巖，頂板抗壓強(qiáng)度39.0～58.76 MPa，屬中等穩(wěn)定頂板。底板為粉砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度19.8～67.1 MPa，為不堅固-堅固底板。

永久硐室大部分位于井底車場附近，小部分位于西翼大巷附近，因此，將永久硐室劃分為井底車場區(qū)域(井下主排水泵房、井下消防材料庫、調(diào)度室、急救室、等候硐室、井下主變電所、井下強(qiáng)排水泵房及配水巷、3-1煤帶式輸送機(jī)機(jī)頭硐室及通道、副井井筒與井底車場連接處、主井井筒與井底車場連接處、井下?lián)Q裝硐室、井下蓄電池電機(jī)車修理間、變流室及充電室、井下膠輪車庫、管子道、3-1煤永久避難硐室、盤區(qū)變電所、3-1盤區(qū)西翼泵房)和西翼大巷區(qū)域(盤區(qū)變電所、3-1煤永久避難硐室、盤區(qū)泵房)。

由于永久硐室較多，本文選取井底車場區(qū)域鋼筋混凝土砌碹支護(hù)的井下主排水泵房為例進(jìn)行相關(guān)研究。井下主排水泵房位于井底車場排水系統(tǒng)內(nèi)。巷道標(biāo)高約+637 m，采深取平均值646 m，硐室設(shè)計長度約67 m，煤巖比為30∶70。

2 永久硐室沖擊危險性評價

2.1 綜合指數(shù)法評價

根據(jù)各永久硐室地質(zhì)條件進(jìn)行計算，結(jié)果如下：

井下主排水泵房地質(zhì)因素影響下的沖擊地壓危險性指數(shù)Wt1=0.67，具有中等沖擊地壓危險。其主要影響因素為煤體能量指數(shù)、煤體單軸抗壓強(qiáng)度和堅硬頂板巖層等。

井下主排水泵房開采技術(shù)因素影響下的沖擊地壓危險性指數(shù)Wt2=0.25，為無沖擊地壓危險。主要影響因素為底煤。

通過綜合比較分析，認(rèn)為井下主排水泵房沖擊地壓危險等級評定為中等沖擊地壓危險，沖擊危險指數(shù)Wt=0.67。其中，地質(zhì)因素為主要影響因素，上覆厚硬巖層、煤體單軸抗壓強(qiáng)度、煤的彈性能量指數(shù)等起主要影響作用。

2.2 可能性指數(shù)法評價

采用可能性指數(shù)法的結(jié)果：應(yīng)力對“發(fā)生沖擊地壓”事件的隸屬度為0.41。沖擊傾向性對“發(fā)生沖擊地壓”事件的隸屬度為1。井下主排水泵房沖擊地壓發(fā)生可能性指數(shù)為0.71，即具備“可能”發(fā)生沖擊地壓等級的應(yīng)力條件。

2.3 多因素耦合評價

通過對永久硐室沖擊地壓影響因素進(jìn)行排查，對各個影響因素下的應(yīng)力進(jìn)行疊加。

井下主排水泵房采深取平均值646 m，自重應(yīng)力為γh=16.15 MPa。井下主排水泵房周邊存在巷道或硐室群，取1.5γh。圍巖綜合應(yīng)力為1.5γh=24.23 MPa。煤層單軸抗壓強(qiáng)度約為35.37 MPa，應(yīng)力比為0.69。Ic/σc<1.5，無沖擊地壓危險。

3 永久硐室的防沖綜合措施

3.1 區(qū)域防沖措施

對于永久硐室而言，井底車場西翼大巷均屬于開拓方式范疇，區(qū)域防沖措施中，主要針對開拓巷道及硐室布置進(jìn)行排查。對大巷及永久硐室而言，最有利的情況為大巷走向及硐室軸向方向與主應(yīng)力方向相同，最不利的情況為大巷走向及硐室軸向方向與主應(yīng)力方向垂直。從實際布置來看，盤區(qū)大巷軸線方向與最佳角度相差約32°。夾角的存在給西翼大巷區(qū)域永久硐室維護(hù)帶來困難，但32°夾角并不大，可以通過加強(qiáng)支護(hù)等措施解決。

3.2 局部防沖措施

對于該礦井永久硐室而言，由于部分永久硐室留有底煤，因此，局部防沖措施主要針對底煤進(jìn)行爆破或鉆孔卸壓，可根據(jù)實際情況選擇其中至少一種底煤防沖措施，對于混凝土砌碹支護(hù)的硐室，為了減少爆破對硐室支護(hù)強(qiáng)度的影響，優(yōu)先選擇鉆孔卸壓的方式。

建議的底煤鉆孔布置方式為：在巷道底角以一定角度施工兩排鉆孔，間距根據(jù)實際情況采取0.8～1.0 m，孔徑根據(jù)施工機(jī)具采用D80～100 mm，施工深度以鉆進(jìn)至巖層為準(zhǔn)，鉆孔施工完成后建議再輔以注水軟化的方式，進(jìn)一步降低底煤沖擊的可能性，見圖1。

圖1 大直徑鉆孔底煤處理方式

4 永久硐室的防沖監(jiān)測

4.1 區(qū)域監(jiān)測

井底車場區(qū)域及西翼大巷區(qū)域永久硐室建議采用微震監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域性監(jiān)測，以預(yù)測強(qiáng)礦壓危險區(qū)及危險程度，及時采取措施解除危險。根據(jù)現(xiàn)場情況，在井底車場區(qū)域、西翼大巷區(qū)布置若干拾振器，對于大巷區(qū)域而言，一般拾振器間距不宜大于1 000 mm，井底車場區(qū)域覆蓋點數(shù)不少于4個；井底車場區(qū)域與大巷拾振器相互配合，覆蓋永久硐室范圍。

4.2 局部監(jiān)測

井底車場區(qū)域及西翼大巷區(qū)域永久硐室局部監(jiān)測建議采用煤層應(yīng)力監(jiān)測，實時監(jiān)測和預(yù)警動力災(zāi)害，并能根據(jù)設(shè)置值進(jìn)行實時預(yù)警，為礦井管理人員提供井下測區(qū)實時動力災(zāi)害信息。

原則上，無沖擊地壓危險的永久硐室，基本為混凝土砌碹硐室，或巖石在圍巖內(nèi)占比較大，不在硐室內(nèi)單獨設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測測點，在弱沖擊地壓危險的永久硐室，錨網(wǎng)噴支護(hù)條件下的半煤巖或煤層硐室，建議每隔30～50 m設(shè)置1組應(yīng)力監(jiān)測測點。

因永久硐室及附近安裝了鉆孔應(yīng)力監(jiān)測測點，且微震系統(tǒng)覆蓋了整個永久硐室區(qū)域，鉆屑法不作為常規(guī)監(jiān)測手段，僅在微地震監(jiān)測或應(yīng)力監(jiān)測到具有沖擊危險的區(qū)域進(jìn)行檢驗。

5 結(jié) 語

根據(jù)《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》規(guī)定，對永久硐室沖擊危險性進(jìn)行了評價，制定了永久硐室的防沖綜合措施，并對安全性進(jìn)行了分析論證，得到的主要結(jié)論如下：

1) 分別采用綜合指數(shù)法、可能性指數(shù)診斷法和多因素耦合評價法，對永久硐室進(jìn)行了沖擊危險性評價，得到了各硐室評價結(jié)論。采用綜合指數(shù)法判定危險為中等；采用可能性指數(shù)診斷法，判定結(jié)果為“可能”；采用多因素耦合評價法，得到永久硐室為無沖擊地壓危險。

上述三種方法得出的危險性等級結(jié)果差距較大，應(yīng)綜合考慮永久硐室的支護(hù)、煤巖比、采動影響進(jìn)行分析，對評價結(jié)果進(jìn)行修正。

2) 提出了永久硐室沖擊地壓區(qū)域監(jiān)測方案和局部監(jiān)測方案，可以實現(xiàn)永久硐室沖擊地壓長期、實時在線監(jiān)測預(yù)警。區(qū)域監(jiān)測采用微地震監(jiān)測法；局部監(jiān)測采用應(yīng)力監(jiān)測法。

3) 提出了永久硐室區(qū)域防沖措施和局部防沖措施。區(qū)域防沖措施主要針對開拓巷道及硐室布置；部分永久硐室底煤卸壓處理方案，需根據(jù)底煤厚度選擇大直徑鉆孔卸壓或爆破卸壓。

4) 通過一系列措施，永久硐室實現(xiàn)了沖擊地壓長期監(jiān)測。沖擊地壓危險監(jiān)測指標(biāo)小于預(yù)警臨界值時，永久硐室可繼續(xù)使用；大于預(yù)警臨近值時，應(yīng)停止使用，并針對監(jiān)測得到的危險區(qū)域采取切實可行的卸壓治理方式，直至監(jiān)測指標(biāo)低于臨界值后恢復(fù)正常使用。