疊加應(yīng)力場中切眼貫通期間沖擊地壓綜合防治技術(shù)

劉 巖 徐 恒 隋 樂

（1.山東濟(jì)礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東 濟(jì)寧 272155；2.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266000）

1 掘進(jìn)工作面概況

陽城煤礦3308 切眼導(dǎo)硐布置在3 煤層，沿煤層底板掘進(jìn)，巷道埋深850～920 m，埋深較大，切眼傾斜寬150 m（平距），井下實(shí)際長度173 m，皮帶順槽掘進(jìn)到位后沿切眼向上掘進(jìn)5 m 停止掘進(jìn)，由切眼向下掘進(jìn)貫通，如圖1。

圖1 3308 工作面平面分布示意

根據(jù)陽城煤礦地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果分析，3308 工作面切眼附近區(qū)域垂直應(yīng)力為最小主應(yīng)力19.7 MPa，最大水平主應(yīng)力為水平構(gòu)造應(yīng)力，約為35.0 MPa。在高地應(yīng)力疊加構(gòu)造應(yīng)力組成的復(fù)雜應(yīng)力場中，切眼巷道貫通具有沖擊地壓危險(xiǎn)，需要進(jìn)行貫通期間沖擊地壓綜合防治技術(shù)研究。

2 切眼貫通期間沖擊危險(xiǎn)主控因素及誘沖機(jī)制

根據(jù)3308 工作面貫通區(qū)域地質(zhì)及生產(chǎn)技術(shù)條件，分析研究沖擊地壓的主要影響因素及影響區(qū)域，闡明潛在沖擊地壓發(fā)生類型及機(jī)理[1-5]。

2.1 埋深影響

隨著開采深度的增加，煤層中的自重應(yīng)力增加，煤巖體中積聚的彈性能也隨之增加[6]。3308 工作面煤層埋深840～920 m，整體埋藏較深。掘進(jìn)貫通期間，工作面切眼的埋深正處于強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)危險(xiǎn)指數(shù)急劇上升的階段。

2.2 掘進(jìn)擾動(dòng)影響

切眼巷道在掘進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)應(yīng)力，在大采深條件下，擾動(dòng)應(yīng)力使得原巖應(yīng)力重新分布[7]，擾動(dòng)應(yīng)力與其他沖擊危險(xiǎn)因素應(yīng)力疊加后能夠使得擾動(dòng)影響區(qū)域煤巖輕易達(dá)到?jīng)_擊時(shí)的應(yīng)力水平。

2.3 煤層沖擊傾向性

根據(jù)沖擊傾向性試驗(yàn)研究結(jié)論，煤層頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，具有沖擊傾向性的煤體易產(chǎn)生應(yīng)力集中而集聚較多的彈性變形能，在掘進(jìn)過程中彈性能的釋放易發(fā)生沖擊地壓。

2.4 構(gòu)造應(yīng)力影響

3308 工作面切眼內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要為斷層，在相變區(qū)域（煤巖交界）存在構(gòu)造應(yīng)力，和擾動(dòng)應(yīng)力疊加后應(yīng)力集中程度進(jìn)一步增大，可能發(fā)生沖擊。設(shè)計(jì)3308 工作面切眼貫通區(qū)域剛好處于皮帶順槽揭露落差約10 m 正斷層上盤，斷層處巖層的不連續(xù)性導(dǎo)致斷層本身的不穩(wěn)定性，在高應(yīng)力作用下，斷層比完整巖層先行運(yùn)動(dòng)。隨著切眼向下掘進(jìn)，其掘進(jìn)頭擾動(dòng)應(yīng)力影響范圍不斷向前發(fā)展，最終到達(dá)斷層影響區(qū)域，斷層本身構(gòu)造應(yīng)力與掘進(jìn)頭擾動(dòng)應(yīng)力疊加，使斷層附近的壓力增高，如圖2。

圖2 超前支承壓力與斷層構(gòu)造應(yīng)力疊加

3 切眼貫通期間沖擊地壓防治關(guān)鍵技術(shù)方案

掘進(jìn)工作面剩余50 m 貫通范圍內(nèi)，掘進(jìn)時(shí)應(yīng)力疊加，有可能誘發(fā)沖擊地壓。基于工作面沖擊地壓影響因素及沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，研究建立工作面切眼貫通沖擊地壓防治關(guān)鍵技術(shù)方案，保證安全貫通。

3.1 鉆屑法監(jiān)測

鉆頭直徑42 mm，鉆屑煤粉量臨界值2.56～5.79 kg/m。掘進(jìn)期間在迎頭及迎頭后幫部60 m 范圍內(nèi)每天檢測一次。

3.2 應(yīng)力在線監(jiān)測

3308 皮帶順槽到位停止掘進(jìn)后，在貫通點(diǎn)安裝應(yīng)力在線測點(diǎn)，監(jiān)測貫通區(qū)域的應(yīng)力情況。測點(diǎn)間距不大于25 m，深度分別為8 m、14 m，淺孔與深孔間距不大于2 m。應(yīng)力計(jì)初始應(yīng)力值不得低于6 MPa，不得高于8 MPa，穩(wěn)壓應(yīng)力值不得低于3.5 MPa。

圖3 3308 工作面應(yīng)力在線布置

3.3 微震監(jiān)測

3308 工作面掘進(jìn)過程中及時(shí)安裝微震檢波探頭，對(duì)新開拓區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測覆蓋。在工作面共布置6 個(gè)SOS 微震檢波器，如圖4。

圖4 3308 工作面微震測點(diǎn)布置

3.4 加強(qiáng)支護(hù)

如圖5，在切眼導(dǎo)硐頂板使用全錨索，頂板錨索每排6 棵，采用Φ21.6 mm×7500 mm、Φ21.6 mm×4500 mm 兩種規(guī)格錨索，間排距800 mm×1600 mm，鋪設(shè)雙重金屬網(wǎng)，配合W 鋼帶提升護(hù)表能力；兩幫均鋪設(shè)菱形網(wǎng)，左幫采用4 棵Φ21.6 mm×2500 mm 錨索，間排距900 mm×800 mm，錨索配合W 鋼帶盤、錨索托盤進(jìn)行支護(hù)。右?guī)筒捎忙?0 mm×2200 mm 高強(qiáng)錨桿，錨桿下壓錨桿盤，規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm，錨桿盤下壓W 鋼帶盤，網(wǎng)片采用規(guī)格為900 mm×3000 mm的菱形網(wǎng)。

圖5 巷道斷面支護(hù)（mm）

采用單元支架+單體對(duì)柱十字梁棚方式支護(hù)，單元支架5 m 一組，在切眼下端頭皮帶順槽段30 m范圍內(nèi)，5 m 間距安裝支架6 臺(tái)，架單體棚13 架。

3.5 工作面貫通期間卸壓措施

皮帶順槽到位停掘后，皮帶順槽生產(chǎn)幫正對(duì)切眼位置施工4 個(gè)大直徑卸壓鉆孔，孔深不小于30 m，直徑150 mm。停掘迎頭施工7 個(gè)卸壓鉆孔，孔深20 m。垂直迎頭施工3 個(gè)卸壓鉆孔，兩側(cè)各布置2個(gè)扇形鉆孔，扇形鉆孔方位角分別為30°、60°。

切眼迎頭布置超前卸壓孔5 個(gè)，垂直迎頭布置3 個(gè)，在迎頭左、中、右側(cè)布置，孔深22 m，并保證不少于12 m 的卸壓保護(hù)帶；布置扇形超前卸壓孔2 個(gè)，分別偏向兩幫45°，孔深20 m。幫部卸壓孔間距1.2 m，孔深20 m，孔徑150 mm，迎頭掘進(jìn)前后兩幫卸壓孔滯后迎頭均不得大于5 m。

4 沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)“三場”耦合分析防沖方案優(yōu)化

通過分階段定期分析3308 工作面切眼區(qū)域震動(dòng)場、能量場演變規(guī)律，結(jié)合CT 反演波速應(yīng)力場，進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)“三場”耦合分析，分析沖擊危險(xiǎn)變化規(guī)律，對(duì)工作面切眼貫通沖擊地壓監(jiān)測及防治關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化并實(shí)施。

4.1 震動(dòng)場監(jiān)測分析

根據(jù)礦震監(jiān)測分析，斷層切割作用導(dǎo)致煤柱能量釋放有所減弱，但附近區(qū)域事件數(shù)量仍然較為密集，斷層煤柱及切眼與皮帶順槽之前的實(shí)體煤區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，巷道掘進(jìn)擾動(dòng)能量釋放較為活躍，應(yīng)及時(shí)做好卸壓工作。隨后現(xiàn)場采取迎頭施工3 個(gè)卸壓孔，幫部卸壓孔滯后迎頭不大于5 m 的強(qiáng)化措施，避免了擾動(dòng)引起斷層活化能量釋放，降低了沖擊危險(xiǎn)性。

4.2 能量場監(jiān)測分析

如圖6，皮帶順槽掘進(jìn)到位后，沖擊變形能密度有所降低，受切眼恢復(fù)掘進(jìn)的影響，切眼與皮帶順槽之間的未掘區(qū)域及工作面實(shí)體煤區(qū)域沖擊變形能仍然降低，說明對(duì)貫穿區(qū)域采取強(qiáng)化貫穿卸壓措施后，貫穿區(qū)域煤體應(yīng)力得到了良好釋放，具有較好的卸壓效果。

圖6 掘進(jìn)期間沖擊變形能演化云圖

4.3 鉆屑法監(jiān)測分析

鉆屑檢驗(yàn)結(jié)果表明，皮帶順槽掘進(jìn)及切眼維護(hù)期間，鉆屑值均未達(dá)到臨界水平，兩巷靜載應(yīng)力相對(duì)較低，卸壓效果良好，煤巖靜載穩(wěn)定性相對(duì)較高。如圖7，切眼朝向皮帶順槽掘進(jìn)貫通期間，鉆屑量峰值均處于較小值，說明迎頭及煤幫15 m 范圍內(nèi)煤體應(yīng)力集中程度較低；同時(shí)，工作面出現(xiàn)較強(qiáng)礦震時(shí)，鉆屑數(shù)據(jù)并未顯示異常，動(dòng)靜疊加效應(yīng)不明顯，煤體卸壓效果較好。

圖7 工作面貫通期間鉆屑量曲線圖

4.4 主動(dòng)波CT 反演效果分析

在貫通前，對(duì)貫通區(qū)域進(jìn)行了主動(dòng)波CT 反演，利用地震波射線對(duì)工作面的煤巖體進(jìn)行透視，通過地震波走時(shí)和能量衰減的觀測，對(duì)工作面的煤巖體進(jìn)行了成像，經(jīng)分析，采取強(qiáng)化措施有效保證了貫通區(qū)域煤體的低應(yīng)力狀態(tài)。

5 結(jié)論

沖擊地壓煤巷掘進(jìn)過程中，特別是掘進(jìn)工作面將要貫通時(shí)，貫通區(qū)應(yīng)力集中分布異常，是防治沖擊地壓過程中較難預(yù)防的時(shí)期，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。通過開展3308 工作面貫通期間沖擊危險(xiǎn)主控因素及誘沖機(jī)制研究，分析出貫通區(qū)域沖擊危險(xiǎn)主控因素，制定了工作面切眼貫通沖擊地壓監(jiān)測及防治關(guān)鍵技術(shù)方案。在方案實(shí)施過程中，通過沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)“三場”耦合分析研判，進(jìn)行防沖方案優(yōu)化，有效保證了工作面貫通區(qū)域的煤體低應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了安全貫通。該貫通期間沖擊地壓綜合防治技術(shù)的成功應(yīng)用，不但對(duì)陽城煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義，也為我國同類型沖擊地壓防治提供了理論依據(jù)及現(xiàn)場支撐。