沖擊地壓礦井掘進巷道卸壓鉆孔創(chuàng)新研究

郭光輝，孫衍興，景勇鵬

(陜西永隴能源開發(fā)建設(shè)有限公司，陜西 寶雞 721000)

0 引言

陜西永隴能源開發(fā)建設(shè)有限公司礦井設(shè)計生產(chǎn)能力400萬t/a，立井開采。布置3條井筒，即主立井、副立井、回風(fēng)立井。全井田按煤層劃分7個盤區(qū)，盤區(qū)開采先后順序為：21盤區(qū)、22盤區(qū)、23盤區(qū)、11盤區(qū)、24盤區(qū)、25盤區(qū)、26盤區(qū)。先期開采21盤區(qū)，工作面采用后退式回采。天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部2016年8月編制的《崔木礦井沖擊危險性評價》報告結(jié)果顯示：永隴公司崔木煤礦在開采期間的整體沖擊危險等級為中等沖擊危險，沖擊地壓的發(fā)生以煤巖層積聚的靜載荷為主要力源，主要包括煤巖沖擊傾向性、采深、構(gòu)造、煤柱等影響因素。而動載荷的影響因素中，高強度開采擾動和厚層頂板活動是促進動載荷產(chǎn)生的重要因素，易誘發(fā)沖擊。崔木煤礦礦井平面布置如圖1所示。

圖1 崔木煤礦礦井平面布置Fig.1 Plan layout of Cuimu Coal Mine

1 巷道布置及周邊關(guān)系

22311工作面位于井田22盤區(qū)，地面主要為山地、植被土質(zhì)、道路、村莊居民地等地貌，地面標高約+1 285～+1 441 m；煤層底板起止標高約為+614～+791 m，工作面設(shè)計走向長1 211 m(切眼至設(shè)計收作線)，平均傾向?qū)捈s200 m，全煤平均厚度13.8 m，可采儲量392.0萬t。22311工作面西部靠近無煤邊界，東部靠近北翼輔運大巷，初步設(shè)計預(yù)留約250 m大巷保護煤柱，22311工作面運輸機巷側(cè)和回風(fēng)巷側(cè)均為實體煤區(qū)域。設(shè)計停采線距北翼輔運大巷250 m。機巷距22307工作面最小距離400 m，距22304工作面最小距離550 m。22311工作面機巷安全通道在22311工作面機巷外側(cè)，其中機巷安全通道三段距22311工作面切眼1 000 m，為22311工作面最低點，為防止工作面突水堵塞巷道而設(shè)計的逃生安全通道。22311機巷安全通道一段長28.2 m，二段長126 m，三段長14.8 m，巷道為矩形斷面。工作面周邊開拓開采情況如圖2所示。工作面機巷安全通道設(shè)計開采區(qū)域如圖3所示。

圖2 工作面周邊開拓開采情況Fig.2 Exploitation and mining around the working face

圖3 22311工作面機巷安全通道設(shè)計開采區(qū)域Fig.3 Design mining area of belt conveyor roadway safety passage of 22311 working face

22311機巷安全通道：自E點施工28.2 m至F點，隨后施工126 m至G點，再施工14.8 m至H點與機巷貫通。

2 大直徑鉆孔預(yù)卸壓方案

2.1 常規(guī)卸壓設(shè)計

根據(jù)經(jīng)驗，機巷安全通道大直徑卸壓鉆孔一般設(shè)計為：兩幫每隔 1±0.1 m各實施一個大直徑鉆孔，孔徑不小于150 mm，孔深30 m，距底板0.5～1.5 m，鉆孔垂直于煤幫并沿煤層傾向，滯后迎頭不超過10 m。迎頭“三花”布置大直徑鉆孔，左右兩側(cè)孔間距為1.2 m，卸壓鉆孔(高孔)距巷道巷底高度1.5 m，卸壓鉆孔(低孔)距巷道底板高度為0.5～1.2 m，孔深不小于35 m。工作面迎頭始終保持卸壓保護帶寬度不小于8 m，當卸壓孔距離迎頭超規(guī)定距離時必須停止迎頭掘進，待卸壓完成后方可掘進施工。常規(guī)卸壓方式如圖4所示。

圖4 常規(guī)卸壓方式Fig.4 Conventional pressure relief mode

針對掘進期間底煤厚度超過1 m的區(qū)域還要采取底板大直徑鉆孔卸壓處理。

鉆孔斷底，孔徑不小于150 mm，間距1 m，終孔施工至煤層底板(見巖停)。巷道底角垂直于煤幫斜向下-45°施工，巷中垂直巷道底板向下沿走向-45°施工，滯后迎頭不超過20 m。卸壓鉆孔布置如圖5所示。

圖5 底板大直徑鉆孔布置Fig.5 Layout of large diameter drilling holes on floor

2.2 創(chuàng)新卸壓設(shè)計

根據(jù)安全通道寬度較小(2.2 m，僅為正常掘進寬度的一半)，鉆機進入后影響掘進行的運輸，大孔徑鉆孔施工困難，距離311機巷較近(9 m)的特點，對22311機巷安全通道的大直徑卸壓鉆孔施工進行了創(chuàng)新設(shè)計。在22311工作面運輸機巷副幫每隔1±0.1 m實施一個大直徑鉆孔，鉆孔孔徑不小于150 mm，孔深40 m，距底板0.5～1.5 m，鉆孔垂直于煤幫并沿煤層傾向，鉆孔超前掘進頭30 m施工，由于大直徑卸壓孔超前掘進面的貫穿式施工，使22311機巷安全通道始終處于卸壓孔施工后的應(yīng)力降低區(qū)，從而達到用超前橫向卸壓孔替代掘進巷道迎頭和兩幫的預(yù)卸壓鉆孔和斷底卸壓孔的目的，創(chuàng)新卸壓方式如圖6所示。創(chuàng)新的卸壓設(shè)計通過一次卸壓措施的施工，既削弱了掘進頭前后兩處的應(yīng)力集中，又消除了卸壓鉆孔施工對掘進進尺的影響，實現(xiàn)了安全快速掘進。

圖6 創(chuàng)新卸壓方式Fig.6 Innovative pressure relief mode

3 卸壓效果分析

目前22311機巷安全通道已經(jīng)按照新設(shè)計的卸壓鉆孔方案，完成了超前大直徑卸壓鉆孔施工和機巷安全通道掘進施工。通過22311工作面已經(jīng)安裝的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)、KJ21應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)及鉆粉監(jiān)測數(shù)據(jù)，CT反演數(shù)據(jù)分別對安全通道掘進期間的卸壓效果進行了分析。

3.1 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

永隴公司崔木煤礦已安裝運行了22311工作面的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)為波蘭礦山研究總院研發(fā)，可實現(xiàn)對礦井包括沖擊地壓在內(nèi)的礦震信號進行遠距離(最大10 km)、實時、動態(tài)、自動監(jiān)測，給出沖擊地壓等礦震信號的完全波形。通過分析研究，可準確計算出能量大于100 J的震動及沖擊地壓發(fā)生的時間、能量及空間三維坐標，并將定位結(jié)果顯示在礦區(qū)平面示意圖上，利用這些寶貴信息源對礦井沖擊地壓危險程度進行評價。微震監(jiān)測系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 微震監(jiān)測系統(tǒng)Fig.7 Microseismic monitoring system

根據(jù)微震數(shù)據(jù)查詢結(jié)果，機巷安全通道施工近一個月的時間內(nèi)，施工區(qū)域共監(jiān)測到49次有效震動，以小能量事件為主，最大能量為5.45E+03J。

雖然安全通道掘進期間掘進區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了不少小能量事件，但由于安全通道掘進區(qū)域提前施工卸壓鉆孔，施工區(qū)域內(nèi)應(yīng)力向施工區(qū)域兩側(cè)及煤體深部轉(zhuǎn)移，因此安全通道掘進施工期間，施工區(qū)域未出現(xiàn)微震事件集中分布現(xiàn)象，且出現(xiàn)了微震事件集中分布于安全通道開口以外的巷道與向斜軸交叉區(qū)域的“反?！爆F(xiàn)象，主要原因是該處受地質(zhì)構(gòu)造影響，原巖應(yīng)力集中程度較高，在巷道掘進和卸壓鉆孔施工的雙重影響下，原巖應(yīng)力與采動應(yīng)力、卸壓轉(zhuǎn)移應(yīng)力疊加產(chǎn)生了較為集中的微震活動，“反?！蔽⒄鸺蟹植己蛻?yīng)力集中正說明了通過掘進區(qū)域超前卸壓孔的施工，使掘進迎頭一直處于低應(yīng)力卸壓保護帶內(nèi),卸壓效果顯著。

3.2 應(yīng)力在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

沖擊地壓應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于“當量鉆屑法”的基本原理和“多因素耦合的沖擊地壓危險性確定方法”研制的能夠?qū)崿F(xiàn)準確連續(xù)監(jiān)測和實時報警沖擊地壓危險性和危險程度的監(jiān)測系統(tǒng)。即：在有沖擊地壓危險的區(qū)域，且應(yīng)力達到煤體破壞極限時，才有可能發(fā)生沖擊地壓，而此時鉆屑量將超過額定的安全指標。因此，通過研究、監(jiān)測確定應(yīng)力增量的變化規(guī)律與鉆屑量之間的關(guān)系，通過監(jiān)測應(yīng)力增量的變化規(guī)律便可間接得到鉆屑量值，實現(xiàn)利用鉆孔應(yīng)力測量代替鉆屑量作為主要的監(jiān)測指標。沖擊地壓實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 沖擊地壓實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of real-time monitoring and early warning system for rock burst

沖擊地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)既可以用來監(jiān)測掘進巷道煤體中的應(yīng)力，也可以通過應(yīng)力計應(yīng)力的變化情況進行卸壓效果檢驗。監(jiān)測系統(tǒng)自動讀取壓力數(shù)據(jù)，并實時傳輸?shù)降孛婵刂剖遥@示沖擊危險性云圖。也可以采用數(shù)據(jù)處理軟件處理各應(yīng)力計的數(shù)據(jù)，作為評價沖擊地壓危險性的依據(jù)。

22311機巷安全通道掘進巷道迎頭后方監(jiān)測范圍為150 m，應(yīng)力傳感器位置距底板0.5～1.5 m，2個1組，組間距20 m，組內(nèi)間距2 m。傳感器初設(shè)值為5 MPa。在線監(jiān)測迎頭后方應(yīng)力變化動態(tài)，對沖擊地壓危險區(qū)和危險程度進行實時監(jiān)測預(yù)報預(yù)警。因機巷安全通道工作面?zhèn)让褐穸?9 m)小于應(yīng)力計厚度，因此機巷安全通道在背離22311工作面?zhèn)劝惭b，孔深為8 m和14 m這2種。

從22311機巷掘進期間區(qū)域內(nèi)應(yīng)力變化曲線可以看出，安全通道掘進期間應(yīng)力數(shù)據(jù)平穩(wěn)，無明顯上升趨勢且未出現(xiàn)應(yīng)力超標現(xiàn)象。證明安全通道掘進期間無應(yīng)力集中區(qū)域。

通過22311安全通道掘進期間微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可以證明安全通道掘進期間所采取的超前卸壓鉆孔效果明顯。

3.3 鉆粉監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

鉆屑法可對采掘過程中的煤體靜載變化進行監(jiān)測。根據(jù)危險區(qū)域劃分結(jié)果，對危險區(qū)域采取鉆屑法進行重點監(jiān)測，根據(jù)不同的危險等級，制定監(jiān)測手段的實施方案、實施頻率等。下面為鉆屑法在22311機巷安全通道掘進期間的方案實施說明。

掘進工作面迎頭鉆孔布置：掘進工作面迎頭應(yīng)保證每10～20 m2布置一個鉆孔，鉆孔個數(shù)應(yīng)不少于2個，且監(jiān)測頻率要始終滿足掘進工作面迎頭具有不小于5 m的超前監(jiān)測距離。掘進工作面兩幫鉆孔布置：掘進工作面后方至少60 m區(qū)域，鉆屑鉆孔深度設(shè)計為不小于13 m，鉆孔方向與煤壁垂直，平行于煤層，距底板0.5～1.5 m，孔徑42 mm。鉆孔間距不大于10 m，監(jiān)測間隔時間為1 d，工作面鉆粉檢測及22311機巷安全通道鉆粉監(jiān)測曲線見表1及如圖9所示。

圖9 22311機巷安全通道鉆粉監(jiān)測曲線Fig.9 Monitoring curve of drillings for 22311 belt conveyor roadway safety passage

22311機巷安全通道掘進期間未出現(xiàn)鉆粉量超預(yù)警值現(xiàn)象，鉆粉孔施工期間沒有異常動力現(xiàn)象，再次佐證了22311機巷掘進期間沒有應(yīng)力集中區(qū)域。

3.4 CT反演數(shù)據(jù)情況

CT反演就是在微震監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用檢波器對微震活動進行監(jiān)測，根據(jù)檢波器與震源之間的距離L和初至走時T來反演波速分布V(x，y，z)。根據(jù)應(yīng)力集中區(qū)域波速高的原理，找出應(yīng)力集中區(qū)域。

表1 工作面鉆粉檢測報表

(1)

(2)

(3)

4 結(jié)語

(1)通過微震、應(yīng)力、鉆粉和CT反演數(shù)據(jù)分析可以得出對22311機巷安全通道的卸壓工程使應(yīng)力轉(zhuǎn)移至周邊及煤體深部，雖然該卸壓方式不常用，但達到了與常規(guī)卸壓方式的相同的卸壓效果。卸壓方式實施后煤體應(yīng)力除了向深部轉(zhuǎn)移外也向施工區(qū)域兩側(cè)進行轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的原因需要進一步分析研究。

(2)該卸壓方式打破了常規(guī)的卸壓鉆孔施工，尚未見到類似的卸壓方式，卸壓效果達到設(shè)計目的，而為小煤柱(9 m)特殊區(qū)域的卸壓可通過加長鉆孔深度方式，鉆孔施工為卸壓鉆孔的設(shè)計提供更寬廣的思路。

(3)可利用千米定向鉆機對未開采區(qū)域?qū)嵤┏邦A(yù)卸壓，除了垂直于巷道走向布置也可以嘗試平行于巷道走向布置，在卸壓設(shè)計實施后通過對多參量防沖監(jiān)測數(shù)據(jù)分析調(diào)整卸壓鉆孔設(shè)計，最終達到最優(yōu)卸壓效果。