煤巷掘進(jìn)工作面分區(qū)段鉆孔卸壓防沖技術(shù)應(yīng)用

高 濤，張小宇，王速勇

（陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500）

目前，沖擊地壓是煤礦開采過程中特別嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害[1]。由于產(chǎn)生沖擊地壓的因素多元性，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)沖擊地壓的產(chǎn)生，只能結(jié)合工作面礦壓監(jiān)測(cè)情況采取相應(yīng)的卸壓措施[2]。因此，以小莊煤礦40302 工作面為工程背景，通過監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)工作面沖擊危險(xiǎn)性，結(jié)合工作面實(shí)際情況設(shè)計(jì)合理的沖擊地壓防治方案。

1 工程背景

40302 工作面煤層埋深約為770～790 m，工作面四周為未開采區(qū)域。40302 工作面主采4#煤層，4#煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，煤厚度變化較為劇烈，西段（里程0～1 023 m）平均煤厚32 m；東段（里程1 023～2 191.6 m）平均煤厚21 m，煤層傾角約2°～3°，4#煤層及其頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性屬于Ⅱ類，具有弱沖擊傾向性。40302 工作面巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

40302 工作面埋深較大，需設(shè)計(jì)安全有效的卸壓方案進(jìn)行防沖[3]。為提高卸壓的效果，需根據(jù)工作面不同區(qū)段的沖擊危險(xiǎn)性設(shè)計(jì)相應(yīng)的卸壓方案[4]。因此，對(duì)工作面不同區(qū)段沖擊危險(xiǎn)性的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

2 工作面沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)

2.1 監(jiān)測(cè)方案

目前，微震監(jiān)測(cè)法是礦井研究沖擊地壓災(zāi)害最為有效的手段之一。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、服務(wù)器等部分組成，傳感器收集微震信號(hào)后通過數(shù)據(jù)采集器傳遞至服務(wù)器進(jìn)行處理。微震監(jiān)測(cè)法可以全天候全范圍實(shí)現(xiàn)對(duì)微震的高精度定位監(jiān)測(cè)，可精確劃分工作面不同區(qū)段的沖擊危險(xiǎn)性，根據(jù)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的卸壓方案。40302工作面掘進(jìn)期間采用KJ551微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)煤巖體的微觀破裂過程和宏觀的礦震分布情況，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共布置80個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布于40302工作面順槽中，相鄰測(cè)點(diǎn)間距25 m。

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)《小莊煤礦4#煤及其頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性鑒定報(bào)告》，4#煤層及頂?shù)装鍘r層均具有弱沖擊傾向性。在工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)前，對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行靜態(tài)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，通過綜合指數(shù)法得到工作面運(yùn)輸順槽沖擊危險(xiǎn)綜合指數(shù)為0.619。根據(jù)沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)分級(jí)準(zhǔn)則，判定40302 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為中等，40302 工作面整體均為中等沖擊危險(xiǎn)。掘進(jìn)期間利用多因素耦合分析方法劃分結(jié)果顯示：40302 工作面掘進(jìn)期間中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域20 個(gè)，其余區(qū)域?yàn)槿鯖_擊危險(xiǎn)區(qū)域，工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果，如圖1所示。從經(jīng)濟(jì)、安全及有效的角度考慮，結(jié)合工作面開采技術(shù)條件及工作面不同區(qū)段沖擊危險(xiǎn)性選擇合理的卸壓方式保障工作面安全掘進(jìn)。

圖1 沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分

3 工作面分區(qū)段卸壓方案

3.1 卸壓方案

目前，沖擊地壓的主要防治方法有：爆破卸壓法，煤層注水法，鉆孔卸壓法等。40302 工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為48.34 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量4.71 m3/t，瓦斯涌出量大，無法使用爆破卸壓法防治沖擊礦壓； 而鉆孔卸壓法成本遠(yuǎn)低于煤層注水法，相對(duì)較經(jīng)濟(jì)合理，所以選擇鉆孔卸壓法防治沖擊礦壓。理論計(jì)算得出合理的鉆孔卸壓參數(shù)。

（1）鉆孔直徑

鉆孔直徑計(jì)算見式（1）、式（2）。

式中：d 為鉆孔直徑，mm；R 為圍巖松動(dòng)圈半徑，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為820 mm；φ 為煤巖體的內(nèi)摩擦角，23°。代入計(jì)算得鉆孔的直徑為133.8 mm，取133 mm。

（2）鉆孔間距

鉆孔間距計(jì)算見式（3）。

式中：ε 為安全變量，0.2；k 為安全系數(shù)，1.1；h 為煤層平均厚度，23.5 m。代入計(jì)算得鉆孔的間距應(yīng)小于3.251 m，兩幫及底板孔間距取3.2 m，迎頭鉆孔根據(jù)不同的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域而布置。

（3）鉆孔深度

卸壓鉆孔深度位于煤柱應(yīng)力峰值區(qū)時(shí)卸壓效果較為顯著。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)：工作面煤柱側(cè)應(yīng)力峰值區(qū)范圍為12～16 m，回采側(cè)應(yīng)力峰值區(qū)范圍為28～32 m，煤層底板極限平衡區(qū)范圍為8～12 m。

3.2 卸壓鉆孔布置

（1）工作面順槽支護(hù)形式

40302 工作面運(yùn)輸及回風(fēng)順槽斷面設(shè)計(jì)為矩形斷面，沿煤層底部掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度為5 700 mm，掘進(jìn)高度為3 600 mm，S掘=20.52 m2。采用錨網(wǎng)索支護(hù)。錨桿采用Φ22～2 500 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂部間排距：700 mm×800 mm，幫部間排距：750 mm×800 mm；錨索采用Φ21.8～7 100 mm 高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，矩形布置，間排距1 400 mm×1 600 mm。

（2）迎頭鉆孔布置

弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域： 掘進(jìn)期間卸壓鉆孔布置如圖2所示。掘進(jìn)迎頭鉆孔與巷道軸向平行，布置3個(gè)鉆孔，三花眼布置，孔間距為1.5 m，卸壓鉆孔直徑為133 mm，仰角與巷道坡度一致。巷道每掘進(jìn)15 m，施工1 組25 m 深卸壓孔，采取正、倒三花眼交替施工進(jìn)行卸壓。

圖2 弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域掘進(jìn)面迎頭卸壓鉆孔布置

中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域： 鉆孔直徑為133 mm，仰角與巷道坡度一致，按“五花眼”（上二下三）布置（下部鉆孔距底板1.5 m，相互間隔1.5 m；上部鉆孔距底板1.8 m，與下部鉆孔交錯(cuò)排列）；巷道每掘進(jìn)20 m，施工1 組30 m 深卸壓孔。

（3）幫部鉆孔布置

兩幫卸壓鉆孔直徑為133 mm，單排布置，煤柱側(cè)孔深15 m，回采側(cè)孔深30 m，鉆孔距巷道底板1.5 m，仰角0°～3°，孔間距3.2 m，封孔長(zhǎng)度4 m（降低對(duì)順槽支護(hù)效果的破壞）。

（4）底板鉆孔布置

底板卸壓鉆孔布置如圖3所示。鉆孔直徑為133 mm，沿底板兩側(cè)底角各施工1 組，孔間距3.2 m，封孔長(zhǎng)度1 m，鉆孔長(zhǎng)度10 m（降低對(duì)順槽整體穩(wěn)定性破壞），開孔高度距底板0～300 mm，與底板夾角60°。

圖3 底板卸壓鉆孔布置

4 鉆孔卸壓效果

為檢驗(yàn)鉆孔卸壓對(duì)沖擊地壓防治的效果，在40302 工作面順槽掘進(jìn)期間采用KJ551 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面煤巖體的微震能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。工作面順槽掘進(jìn)期間實(shí)施卸壓解危措施前后微震能量指標(biāo)對(duì)比，如圖4所示。

圖4 卸壓解危措施前后微震能量指標(biāo)對(duì)比

由圖4可知，卸壓解危措施實(shí)施前，工作面煤巖體微震能量指標(biāo)最大為4.8×104J，工作面屬中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)；卸壓解危措施實(shí)施后，工作面煤巖體微震能量指標(biāo)最大為4×103J，工作面無沖擊危險(xiǎn)。

5 結(jié)語

根據(jù)40302 工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果，可將工作面分為中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)段和弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)段。針對(duì)工作面不同沖擊危險(xiǎn)區(qū)段，從安全、高效及經(jīng)濟(jì)的角度設(shè)計(jì)相應(yīng)的鉆孔卸壓方案。分區(qū)段卸壓解危后，工作面煤巖體微震能量指標(biāo)降至為4×103J 以下，解除了沖擊危險(xiǎn)性。