雙回撤通道沖擊地壓防治技術研究與應用

秦喜文，牟 亮，韓 剛，3，4，呂玉磊

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054；2.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；3.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；4.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200；5.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017307)

近年來，根據(jù)國家能源西進戰(zhàn)略的實行，鄂爾多斯深部礦區(qū)建設力度逐漸加大。隨著開采深度與強度的增加，發(fā)生沖擊地壓的礦井數(shù)量也在快速增加，事故發(fā)生次數(shù)加快并且破壞程度也明顯加劇[1]，而且絕大多數(shù)的礦井沖擊地壓都發(fā)生在巷道中[2]。因此，對沖擊地壓的巷道保護尤為重要。

隨著礦井規(guī)模的增大，綜采工作面的設備數(shù)量隨之增加，其設備的回撤速度在一定程度上影響著礦井的生產(chǎn)效率[3，4]。目前，我國現(xiàn)有的綜采工作面回撤技術有三種：無預掘回撤通道技術、預掘單回撤通道技術和預掘雙回撤通道技術[5-7]。王新民[8]提出了預掘通道斷頂卸壓快速回撤技術，實現(xiàn)了工作面安全快速回撤。

在末采期間工作面逐漸接近主回撤通道直至貫通，并且貫通前兩回撤通道都受到超前支承壓力的影響。關于回撤通道圍巖控制方面的研究，王躍權[9]通過在末采工作面頂板實施水壓致裂達到對工作面頂板巖層提前分區(qū)域弱化的作用，減緩了回撤通道圍巖變形。舒湊先[10]等提出了在工作面推采到靠近終采線前的一段距離時，提前實施大直徑鉆孔卸壓，對回撤通道進行預卸壓。劉加旺[11]等通過對回撤通道受開采影響進行現(xiàn)場礦壓監(jiān)測分析得到，主回撤通道受到的采動影響更為劇烈，特別是回撤通道的頂板和幫部。時建成[12]采用雙梁工字鋼支護方案對其回撤通道即將與工作面貫通時易發(fā)生底鼓進行加強支護。李臣[13]等提出了回撤通道合理煤柱尺寸留設配合加強支護的圍巖穩(wěn)定性控制技術，現(xiàn)場應用效果顯著。張杰[14]利用數(shù)值模擬方法對工作面末采階段回撤通道的不同支護方案進行對比分析，得出了內(nèi)外相結合的支護方式可有效提高回撤通道的安全性。谷拴成[15]等提出了末采階段工作面煤柱和通道間保護煤柱荷載轉(zhuǎn)移的力學機理，并總結得出了兩種煤柱的荷載計算公式及保護煤柱合理寬度的確定方法。在巷道圍巖形變方面的研究，于天武[16]研究了工作面采動過程中回撤通道圍巖變形應力分布規(guī)律，確定了回撤通道受工作面采動影響的起始位置及影響范圍。王博楠[17]研究了回撤通道圍巖變形破壞機理和應力分布規(guī)律，并提出了回撤通道圍巖變形控制方法。張金虎[18]研究了回撤通道破碎頂板的圍巖形變規(guī)律，并提出了針對性的回撤通道支護補強措施。李興華[19]等研究了巷道圍巖變形特征，提出了回撤通道支護優(yōu)化方案。

雖然許多學者對回撤通道穩(wěn)定性分析進行了大量研究，但對沖擊地壓災害礦井雙回撤通道的失穩(wěn)破壞及其防治技術研究較少。因此，本文以納林河二號礦31103-1工作面雙回撤通道為背景，針對主回撤通道易受工作面采動影響提出了頂板預裂爆破卸壓方案，實現(xiàn)工作面安全快速回撤的目的。

1 工程概況

1.1 工作面概況

納林河二號礦可采煤層為3-1煤層，平均埋深563m。31103-1工作面走向長約1787m，傾向長241m，煤層平均厚度5.6m。該工作面東側為31102工作面采空區(qū)，西側為31104工作面，31103-1工作面回風巷與運輸巷掘進過程中未揭露斷層等地質(zhì)構造。經(jīng)鑒定3-1煤頂板及煤層均屬于強沖擊傾向性，底板為弱沖擊傾向性。31103-1工作面布置如圖1所示。

圖1 31103-1工作面布置

31103-1工作面采用雙回撤通道快速搬家工藝，主、輔回撤通道均為5.4m×3.8m的矩形斷面，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式。主、輔回撤通道采用垛式液壓支架和單體立柱兩種相結合的支護形式，雙回撤通道布置如圖2所示。

圖2 雙回撤通道布置示意圖

1.2 回撤通道變形情況

31102工作面末采期間主回撤通道內(nèi)工作面一側煤體沿卸壓孔整體開裂，鼓幫嚴重，鼓出量約0.5m，幫部錨索托盤變形，頂板未出現(xiàn)明顯下沉，頂板離層儀未見到明顯離層顯現(xiàn)，底板完整，所有卸壓孔全部塌孔。巷道幫部呈現(xiàn)出沿大直徑卸壓鉆孔連接線整體鼓幫、開裂特征，這也說明了末采期間回撤通道內(nèi)實施大直徑卸壓鉆孔預泄壓的必要性及有效性，大直徑的存在使得巷道幫部形成“弱層”結構，煤體中應力增高時，大直徑鉆孔塌孔，起到應力釋放的作用，避免了煤巖體應力集中造成的能量突然釋放，從而避免沖擊顯現(xiàn)。

2 回撤通道失穩(wěn)破壞機理

2.1 受采動影響回撤通道失穩(wěn)破壞機理分析

回撤通道圍巖應力受工作面的采掘活動影響，當回采工作面據(jù)回撤通道較遠時，回撤通道受工作面采動影響較小，當回采工作面不斷推進直到靠近主回撤通道時，前方實體煤受到超前壓力的影響，并且其逐漸向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，在其達到應力峰值時使得巷幫煤體垮落。當回采工作面與主回撤通道貫通時，雙回撤通道間的留設煤柱會形成應力升高區(qū)和應力降低區(qū)，即主回撤通道巷幫出現(xiàn)應力集中，工作面的超前支承壓力與巷道支承壓力疊加使得回撤通道圍巖壓力加劇，容易發(fā)生巷道失穩(wěn)破壞。巷道圍巖應力隨工作面推進變化如圖4、圖5所示。

圖4 工作面與回撤通道即將貫通時應力分布變化

圖3可知：當工作面距回撤通道還有一段距離時，回撤巷道前方實體煤頂板會形成三個應力變化區(qū)域即“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ”，其中區(qū)域Ⅰ又可分為應力升高區(qū)和應力降低區(qū)；區(qū)域Ⅱ可分為原巖應力區(qū)；區(qū)域Ⅲ又可分為應力升高區(qū)和應力降低區(qū)。

圖3 工作面與回撤通道距離較遠時應力分布變化

圖4可知：當工作面即將與回撤通道貫通時，回撤巷道前方實體煤頂板會形成應力集中區(qū)域Ⅳ。此階段在回撤通道間的留設煤柱上，壓力和工作面的超前支承壓力會出現(xiàn)疊加，應力逐漸集中導致大量的彈性能積聚，易誘發(fā)沖擊地壓，并且巷道所受的支承應力會出現(xiàn)顯著升高，巷道容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

綜上，分析得出回撤通道受工作面采動影響，并確定其隨著工作面推進回撤通道前方實體煤頂板應力變化分為兩個階段。第一階段：當工作面距離回撤通道較遠時，回撤通道前方實體煤頂板應力變化劃分為“Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ”三個區(qū)域；第二階段：當工作面與回撤通道即將貫通時，回撤通道前方實體煤頂板應力變化區(qū)域為“Ⅳ”。其應力變化從第一階段向第二階段轉(zhuǎn)化時呈現(xiàn)“應力逐漸集中和彈性能積聚”狀態(tài)，易造成回撤通道的失穩(wěn)破壞。因此，在回撤通道受到影響前做出相應的支護補強措施，并對其頂板進行卸壓處理，即對第二階段積聚的P1進行釋放，減小其靜載對回撤通道的影響。

2.2 回撤通道頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

回撤通道的失穩(wěn)破壞受工作面采動影響，當工作面即將與回撤巷道貫通時，工作面的礦壓顯現(xiàn)是由老頂?shù)闹芷谛云茢嘁鸬模划敼ぷ髅婧突爻废锏镭炌ê?，老頂同樣可能發(fā)生破斷，而此時老頂?shù)钠屏褷顟B(tài)會對回撤通道圍巖結構狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響。

結合以往回采期間回撤通道的破壞情況及回撤使用情況，并根據(jù)31103-2工作面回采期間，尤其是末采期間的礦壓分布規(guī)律。對其回撤通道內(nèi)的支架壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析。

2.2.1 主回撤通道內(nèi)支架壓力與行程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計了工作面末采期間主回撤通道內(nèi)垛式支架壓力增幅及立柱行程降幅，綜合統(tǒng)計時間工作面剩余長度，得到了回撤通道的支架壓力、行程與工作面剩余長度曲線，如圖5所示。

圖5 主回撤支架壓力、行程與工作面剩余長度曲線

由圖5可知，隨著工作面的不斷推進，主回撤通道內(nèi)垛式支架立柱壓力不斷增加，立柱行程不斷減小；當工作面剩余長度大于26m時，主回撤通道的支架壓力變化幅度較小，基本處于穩(wěn)定階段；當工作面剩余長度在21～26m時，主回撤通道內(nèi)垛式支架壓力普遍上升，平均漲幅3.89MPa，同時支架立柱行程普遍降低，平均降幅-7.66mm；當工作面剩余長度小于21m時，主回撤通道的內(nèi)垛式支架壓力急劇增加，各支架立柱行程下降幅度較大。說明工作面越靠近主回撤通道，回撤通道的支承壓力越大，其兩幫的壓力越為集中，巷道越易失穩(wěn)破壞。

2.2.2 輔回撤通道內(nèi)支架壓力與行程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計了工作面末采期間輔回撤通道內(nèi)垛式支架壓力增幅及立柱行程降幅，綜合統(tǒng)計時間工作面剩余長度，得到圖6所示支架壓力、行程與工作面剩余長度曲線。

圖6 支架壓力、行程與工作面剩余長度曲線

由圖6可知：隨著工作面長度不斷減少，輔回撤通道內(nèi)單元支架立柱壓力不斷增加，立柱行程不斷減小。當工作面剩余長度26m時，輔回撤通道內(nèi)部分單元支架壓力上升，平均漲幅2.1MPa，同時支架立柱行程普遍降低；當工作面剩余長度14m時，回撤通道內(nèi)單元支架壓力普遍升高，同時支架立柱行程漲幅較大，平均縮短-8.5mm；相比主回撤通道，輔回撤通道內(nèi)支架壓力與立柱行程變化量均較小，這是因為工作面超前壓力峰值位于超前20～34m之間，預計輔回撤通道在工作面回采完畢后將處于超前壓力峰值區(qū)，其內(nèi)的單元架壓力降增加。

綜合以上分析結果得出，回撤通道的失穩(wěn)破壞受工作面采動影響，當工作面剩余長度距離主回撤通道越近時，回撤通道的支承壓力越大，巷道兩幫的壓力越集中，巷道越容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，當工作面即將與主回撤通道貫通時應對其進行支護補強措施，如頂板預裂爆破可以降低巖層擾動影響。

3 雙回撤通道頂板爆破防沖效果分析

3.1 頂板預裂爆破技術實施方案

預裂爆破卸壓要從降低降低回撤通道頂板的靜載荷水平和誘發(fā)的動載荷強度來考慮。針對堅硬頂板和回撤通道對31103-2工作面造成的沖擊危險的問題，通過采取頂板預裂爆破技術對頂板進行處理，以達到降低工作面沖擊危險性的目的。31103-2工作面主回撤通道頂板爆破方案如圖7所示，31103-2工作面傾向長241m，切爆破鉆孔布置間距為10m，鉆孔長度為15m，鉆孔傾角45°。頂板預裂爆破主要針對工作面頂板較厚的細粒砂巖層。工作面主回撤通道預裂爆破參數(shù)見表1。

表1 切頂爆破鉆孔裝藥參數(shù)和封孔長度參數(shù)

圖7 31103-2工作面主回撤通道頂板預裂爆破方案

31103-2工作面主回撤通道采用高低位組合爆破，低位1#爆破孔針對低位關鍵層位，目的在于降低末采期間低位關鍵層位懸臂長度，弱化末采期間周期來壓強度；高位2#爆破孔針對較高關鍵層層位，目的在于為實現(xiàn)將采空區(qū)應力傳遞路徑阻斷和本工作面的超前支承壓力傳遞路徑的弱化的目標，降低采空區(qū)對大巷影響程度。

3.2 雙回撤通道頂板預裂爆破效果分析

3.2.1 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)效果分析

對于2021年2月14日至2021年4月9日期間的31103-2面末采300m階段，將該階段主回撤通道兩側30-60m范圍內(nèi)的微震事件進行了統(tǒng)計。31103-2面末采期間主回撤通道兩側30～60m范圍內(nèi)微震事件垂向分布如圖8所示。

圖8 31103-2面回撤通道頂板預裂措施效果分析

由圖8可知：礦震能量與頻次主要分布在煤層及其頂板24.5m以下區(qū)域，極少部分的礦震分布在高位頂板24.5～60m區(qū)域，并且在煤層中的礦震呈現(xiàn)“高頻低能”狀態(tài)，在頂板中的礦震呈現(xiàn)“高能低頻”狀態(tài)；在非爆破區(qū)域巖層中，隨著巖層的增加礦震能量與頻次逐漸降低，直到爆破區(qū)域巖層中基本不出現(xiàn)礦震活動，說明頂板預裂爆破使得低位巖層破斷擾動降低，能夠較好的防治沖擊地壓。

由此可以得出，31103-2面回撤通道內(nèi)實施頂板預裂，爆破區(qū)兩側30m范圍內(nèi)目標層位微震事件明顯降低，起到了弱化末采期間動載擾動的作用。預裂爆破對沖擊地壓的防治有較好的效果，故在雙回撤通道中可以優(yōu)先考慮頂板預裂爆破。

3.2.2 應力監(jiān)測數(shù)據(jù)效果分析

對31103-2工作面回撤通道距爆破起點兩側等長區(qū)域內(nèi)爆破前后的應力變化進行了對比分析，爆破區(qū)域和非爆破區(qū)域的應力監(jiān)測數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 爆破區(qū)與非爆破區(qū)煤體應力預警情況對比

由表2可知：非爆破區(qū)域的預警測點數(shù)量為12個，測點應力最大值可達22.46MPa，測點應力最小值為11.07MPa，故測點的最大應力均值為13.97MPa；爆破區(qū)域的預警測點數(shù)量為9個，測點應力最大值可達14.71MPa，測點應力最小值為10.14MPa，故測點的最大應力均值為12.34MPa；爆破區(qū)域和非爆破區(qū)域煤體應力預警測點總數(shù)相比減少了3個，對應的測點最大應力均值也下降了1.63MPa，并且在非爆破區(qū)域的應力變化幅度較大，爆破區(qū)域的應力變化幅度較小，說明頂板預裂爆破對回撤通道的應力集中有降低作用。

綜合以上分析，31103-2面采取的頂板預裂措施使得爆破目標層位內(nèi)微震事件能量、頻次明顯降低，對弱化回撤通道動力顯現(xiàn)作用明顯，爆破后，爆破目標層位內(nèi)微震事件頻次、能量可至少降低約60%；爆破區(qū)內(nèi)煤體應力預警測點總數(shù)、最大應力均值分別降低3個和1.63MPa，這也說明了頂板預裂爆破可降低回撤通道受工作面采動影響產(chǎn)生的應力集中，起到了將采空區(qū)應力傳遞路徑阻斷和本工作面的超前支承壓力傳遞路徑的弱化作用。

4 結 論

1)隨著工作面的不斷推進，雙回撤通道內(nèi)垛式支架立柱壓力不斷增加，立柱行程不斷減??；在當工作面剩余長度26m時，主回撤通道的支架壓力呈現(xiàn)普遍變化階段；在當工作面剩余長度14m時，主回撤通道的支架壓力呈現(xiàn)急劇變化階段。相比主回撤通道，輔回撤通道內(nèi)支架壓力與立柱行程變化量均較小，工作面超前壓力峰值位于超前20～34m之間，預計輔回撤通道在工作面回采完畢后將處于超前壓力峰值區(qū)，其內(nèi)的單元架壓力降進一步增加。

2)回撤通道的失穩(wěn)破壞受工作面采動影響，當工作面剩余長度距離主回撤通道越近時，回撤通道的支承壓力越大，巷道兩幫的壓力越集中，巷道越容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，當工作面即將與主回撤通道貫通時應對其進行支護補強措施，如頂板預裂爆破可以降低巖層擾動影響。

3)31103-2面回撤通道實施頂板預裂爆破后，爆破區(qū)域的應力變化幅度明顯降低，說明頂板預裂爆破可降低回撤通道受工作面采動影響產(chǎn)生的應力集中。同時，也起到了將采空區(qū)應力傳遞路徑阻斷和本工作面的超前支承壓力傳遞路徑的弱化作用。