厚煤層沿空巷道貫通階段沖擊地壓防控技術(shù)*

楊 琛，趙玉桃，李 強(qiáng) ，張明祿，梁少劍

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000；2.陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司，陜西 銅川 727000)

0 引言

近年來，隨著開采深度與開采強(qiáng)度的增加，我國煤礦沖擊地壓災(zāi)害日益嚴(yán)重，多起重大沖擊地壓事故接連發(fā)生，造成巨大財產(chǎn)損失和人員傷亡。2018年10月20日，山東龍鄆煤業(yè)發(fā)生沖擊地壓導(dǎo)致井下21人遇難[1-2]；2019年6月和8月，吉林龍家堡煤礦和河北唐山礦先后發(fā)生沖擊地壓事故，共造成16人遇難[3-6]；2020年春節(jié)剛過，山東新巨龍礦井發(fā)生沖擊地壓事故，造成4人死亡[7]；我國沖擊地壓災(zāi)害的防治形勢仍較為嚴(yán)峻。對于沖擊地壓礦井而言，沿空巷道一直是重點防治區(qū)域[8]。近年來，在采掘期間，發(fā)生在沿空巷道內(nèi)的沖擊事故層出不窮，造成了巨大的人員和財產(chǎn)損失。而在沿空巷道掘進(jìn)期間，尤其是巷道貫通階段，其沖擊地壓帶來的威脅則更為突出[9-10]。崔木煤礦所采的3號煤層及其頂板均具有沖擊傾向性，沿空掘進(jìn)期間多次發(fā)生動力顯現(xiàn)，大大增加了巷道貫通時期的沖擊危險性，如何確保巷道安全貫通成為該礦防沖工作面臨的技術(shù)問題。對此，崔木煤礦開展巷道貫通時期的技術(shù)研究，并在21306工作面機(jī)巷順槽成功應(yīng)用。

1 掘進(jìn)工作面概況

崔木煤礦目前主采21盤區(qū)，21306工作面為21盤區(qū)的第6個工作面，設(shè)計巷道位于3號煤層中，煤層厚度約為16～19 m。21306機(jī)巷緊靠21305風(fēng)巷，位于花園陽坡向斜東翼，東鄰21305工作面采空區(qū)，南為中央3條主要大巷(回風(fēng)、皮帶、輔運(yùn))。工作面起止標(biāo)高663～717 m，平均傾向?qū)? 517 m。21306機(jī)巷全斷面為矩形錨網(wǎng)梁索支護(hù)。巷道按中線設(shè)計坡度施工，凈斷面尺寸為5.5 m×3.55 m(寬×高)，S凈=19.525 m2。錨桿間排距為800 mm×800 mm。頂部錨桿采用W鋼帶梁支護(hù)，巷道里端掛菱形網(wǎng)，頂板錨索采用直徑為φ17.8 mm鋼絞線制作，長度為7 300 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm。

21306機(jī)巷鄰近21305采空區(qū)，采掘期間動力顯現(xiàn)頻繁，嚴(yán)重影響巷道的掘進(jìn)速度，因此，21306風(fēng)巷在掘進(jìn)到位之后，繼續(xù)掘進(jìn)切眼，切眼完成之后，則開始反掘21306機(jī)巷，使得21306機(jī)巷呈相向掘進(jìn)狀態(tài)。在兩迎頭相向掘進(jìn)時，由于煤炮震動頻繁，巷道底鼓及下沉現(xiàn)象嚴(yán)重，則在相距150 m時停止了機(jī)巷里段的掘進(jìn)，由中段巷道完成最后的貫通階段，21306工作面機(jī)巷貫通區(qū)域具體位置如圖1所示。

圖1 21306工作面機(jī)巷貫通區(qū)域位置Fig.1 The location of the run-through area of 21306 machine roadway

2 貫通期間沖擊危險性分析

2.1 貫通期間主要沖擊影響因素

開采深度：21306機(jī)巷工作面對應(yīng)開采垂直深度為650～700 m。根據(jù)資料統(tǒng)計，21306工作面具備沖擊地壓發(fā)生的埋深條件。

煤層沖擊傾向性：崔木煤礦21盤區(qū)煤層及頂板沖擊傾向性的測試結(jié)果表明，該煤層及頂板具有弱沖擊傾向。表明其煤巖系統(tǒng)具有誘發(fā)沖擊地壓的能力[11]。

頂板巖層條件：21306工作面距離煤層最近的一層為中砂巖頂板。位于煤層上方10 m左右的位置，厚度達(dá)到了18.78 m，造成采空區(qū)側(cè)頂板懸頂，從而使得煤柱側(cè)承載高應(yīng)力[12]。

區(qū)段煤柱的影響：21306工作面機(jī)巷鄰近21305工作面采空區(qū)，區(qū)段煤柱為35 m左右。煤柱留設(shè)不合理造成煤柱及巷道側(cè)應(yīng)力集中，巷道底鼓、兩幫移近等變形明顯。

底煤：21306工作面機(jī)巷布置在煤層中，底煤厚度不等，平均2～4 m。而煤層本身具有沖擊傾向性，使得底板成為巷道最為薄弱的區(qū)域，易發(fā)沖擊。

2.2 貫通期間沖擊危險性分析

根據(jù)上述影響因素，結(jié)合21306工作面地質(zhì)及開采條件，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對貫通時期的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。模型走向長度160 m，傾向長度150 m，高度72 m。在模型上方依然有560 m厚度的巖層未模擬，按等效載荷代替。模型4個立面均固定法向位移，底面同樣固定法向位移。對21305采空區(qū)的模擬方法采用開挖—計算—充填—再計算的方法，模擬采空區(qū)垮落壓實的過程。為提高初始平衡運(yùn)算速度，煤層、頂板和底板的采用同樣的單元格劃分標(biāo)準(zhǔn)。

對21305采空區(qū)和泄水巷提前進(jìn)行開挖模擬，之后再進(jìn)行21306機(jī)巷的掘進(jìn)模擬，模型過程為每掘進(jìn)10 m，計算250時步，依次循環(huán)。在貫通期間，兩側(cè)工作面相向掘進(jìn)，超前支承壓力相互疊加，使得貫通區(qū)域具備較高的應(yīng)力集中。通過數(shù)值模擬計算在貫通巷道剩余100 m時的垂直應(yīng)力分布情況，21306機(jī)巷在貫通階段的垂直應(yīng)力分布云圖如圖2所示。一方面，受到21305采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力的影響，整個煤柱為高應(yīng)力區(qū)；另一方面，由于巷道貫通區(qū)域受兩側(cè)應(yīng)力疊加，整體應(yīng)力也較其他區(qū)域高。因此，在貫通階段，也是沖擊地壓發(fā)生的危險時期。為確保貫通時期的安全生產(chǎn)，采取多種防治手段避免沖擊事故的發(fā)生。

圖2 貫通階段垂直應(yīng)力分布云圖Fig.2 Cloud map of vertical stress distribution in run-through stage

3 貫通期間沖擊地壓防治技術(shù)

3.1 沖擊地壓監(jiān)測措施

3.1.1 微震監(jiān)測

通過在21306里段加設(shè)微震探頭，可以實現(xiàn)對21306機(jī)巷未掘區(qū)域的微震監(jiān)測。對于該期間的微震監(jiān)測，首先要加快微震數(shù)據(jù)的處理速度，對于出現(xiàn)的大能量事件及時做好預(yù)警。整個貫通階段，微震分布情況如圖3所示。根據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，在巷道相向掘進(jìn)期間，隨著兩工作面之間距離的縮短，能量有明顯的增加態(tài)勢；當(dāng)停止一側(cè)工作面的掘進(jìn)后，微震能量快速回落；而在貫通階段，隨著貫通距離的縮短，在貫通距離不足80 m后，微震能量又快速增加，直至貫通結(jié)束。其中巷道貫通階段每天平均能量為1.50×105J，為平時掘進(jìn)期間的1.5倍。整個巷道掘進(jìn)階段，能量在5次方以上的微震事件共有8次，其中貫通階段就達(dá)到5次，可見巷道貫通期間仍是沖擊危險較高的時期之一。

圖3 貫通階段微震分布Fig.3 Microseismic distribution in the run-through stage

3.1.2 鉆屑法監(jiān)測

鉆屑法監(jiān)測參照前述正常掘進(jìn)期間的鉆屑法施工方法。當(dāng)貫通距離大于40 m時，迎頭和靠迎頭30 m范圍內(nèi)區(qū)域，采用鉆屑法每天監(jiān)測一遍；當(dāng)貫通距離不足40 m時，對迎頭和靠迎頭30 m范圍內(nèi)區(qū)域，要每班進(jìn)行鉆屑法監(jiān)測。當(dāng)微震監(jiān)測出現(xiàn)中等沖擊危險時，應(yīng)立即進(jìn)行鉆屑法驗證，確認(rèn)無危險時，方可生產(chǎn)。在21306機(jī)巷貫通期間，針對在迎頭的6 次鉆屑法監(jiān)測孔的每米煤粉量和鉆進(jìn)距離進(jìn)行分析，并繪制趨勢曲線，如圖4所示?？咨?～4 m時，21306工作面鉆屑量臨界值為1.88 kg/m；孔深5～10 m時，鉆屑量臨界值為3.1 kg/m。從圖4中可以看出，貫通期間監(jiān)測中迎頭的煤粉量平均為2.07 kg/m，掘進(jìn)迎頭3～5 m區(qū)間的煤粉量最大，在煤柱一側(cè)煤粉量最大的區(qū)域為5～8 m區(qū)間，并出現(xiàn)過一次超標(biāo)情況，當(dāng)班進(jìn)行了卸壓處理。

圖4 迎頭鉆屑量統(tǒng)計曲線Fig.4 Statistical curve of head-on cuttings

3.2 沖擊地壓卸壓方法

3.2.1 迎頭卸壓

貫通距離大于40 m時，迎頭卸壓方式在正常掘進(jìn)期間的卸壓基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，迎頭施工7個大孔徑鉆孔，上三下四布置，孔深20 m。當(dāng)掘進(jìn)迎頭至卸壓孔底部距離小于10 m時，按照上四下三方式補(bǔ)打下一輪鉆孔，如此循環(huán)，如圖5所示。當(dāng)貫通距離小于40 m時，延長鉆孔深度，采用大直徑長鉆孔卸壓，深度增至40 m，以穿透貫通區(qū)域為宜。此后每掘進(jìn)10 m，補(bǔ)打下一輪鉆孔。

圖5 掘進(jìn)迎頭卸壓鉆孔布置示意Fig.5 Drilling arrangement for head-on pressure relief

3.2.2 兩幫卸壓

貫通距離大于40 m時，在21306中段巷道兩幫施工大孔徑卸壓鉆孔，滯后迎頭最小距離不超過10 m。鉆孔直徑φ133 mm，鉆孔深度15 m，封孔長度2 m，鉆孔高度1.2 m，兩幫鉆孔間距均為1.6 m，如圖6所示。21306里段兩幫未卸壓區(qū)域應(yīng)補(bǔ)齊大孔徑鉆孔。當(dāng)貫通距離小于40 m時，21306中段兩幫繼續(xù)施工大孔徑鉆孔，并跟緊近頭。21306里段迎頭位置處應(yīng)禁止人員進(jìn)入。

圖6 巷道幫部卸壓鉆孔示意Fig.6 Pressure relief drilling of roadway side

3.2.3 底板大孔徑卸壓

21306機(jī)巷貫通期間底板卸壓方式為：在煤柱一側(cè)的幫部底角處，按間距1.6 m，垂直于煤幫斜向下60°施工，卸壓孔深度施工至煤層底板，孔徑φ133 mm，距離迎頭不超過10 m。迎頭后方已掘巷道按照大孔徑鉆孔布置方式，逐步補(bǔ)齊底板大孔徑卸壓鉆孔。鉆孔布置如圖7所示。

圖7 底板卸壓鉆孔位置示意Fig.7 Pressure relief drilling of roadway floor

3.3 貫通期間其他措施

貫通階段，停掘區(qū)域禁止人員進(jìn)入，并設(shè)立防護(hù)柵欄。凡是進(jìn)入貫通區(qū)域的工作人員必須穿戴防沖帽和防沖背心。貫通區(qū)域迎頭后方60 m范圍內(nèi)，物料和設(shè)備必須生根捆綁。貫通區(qū)域必須加強(qiáng)支護(hù)，采用錨網(wǎng)索支護(hù)時，錨索要加密。嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度，最大掘進(jìn)速度控制在8 m/d以下。

3.4 防治效果

盡管在沿空巷道貫通期間，微震能量均增加明顯，但由于提前采取了預(yù)卸壓措施，并降低了掘進(jìn)速度。最終實現(xiàn)了21306機(jī)巷的安全貫通，未發(fā)生一起沖擊地壓顯現(xiàn)，完成了礦井的生產(chǎn)任務(wù)。

4 結(jié)語

對于崔木煤礦21306工作面機(jī)巷，一是巷道臨近采空區(qū)，受側(cè)向支承壓力的作用；二是在掘進(jìn)工作面將要貫通階段，受兩側(cè)超前支承壓力的疊加影響。2種情況造成21306機(jī)巷貫通期間的強(qiáng)沖擊危險性。在該階段，首先通過微震和鉆屑進(jìn)行沖擊危險監(jiān)測預(yù)警，對發(fā)現(xiàn)的危險及時進(jìn)行處理，同時在貫通期間提前采取防治措施，針對迎頭前方、巷道兩幫和巷道底板分別采取大孔徑卸壓措施，尤其是迎頭區(qū)域施工超深大孔徑鉆孔。通過實施上述措施，有效地降低了21306機(jī)巷貫通期間的沖擊危險，該巷道安全順利貫通，為整個礦井的安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。