深埋窄煤柱沿空掘錨巷道礦壓監(jiān)測及超前卸壓技術(shù)

王 逵

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司門克慶煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017399）

中天合創(chuàng)門克慶煤礦是一座產(chǎn)能8 Mt/a 沖擊地壓礦井。礦井當(dāng)前主采3-1 煤層，埋深平均為692 m，該煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性。礦井回采巷道布置原設(shè)計(jì)為雙巷掘進(jìn)，存在礦壓顯現(xiàn)明顯、沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)較大等問題。為防范沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)，將回采巷道調(diào)整為窄煤柱沿空單巷布置。窄煤柱沿空掘巷由于靠近相鄰面采空區(qū)，施工期間受動載擾動和采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力雙重疊加影響，掘進(jìn)迎頭及實(shí)體煤側(cè)煤炮頻繁、應(yīng)力集中。另外，受掘錨工藝及設(shè)備配套限制（掘錨機(jī)炮頭長5.2 m），卸壓鉆車無法進(jìn)入迎頭施工卸壓鉆孔，進(jìn)而加劇了沖擊風(fēng)險(xiǎn)[1-5]。因此，如何防范掘錨施工期間的沖擊風(fēng)險(xiǎn)，是窄煤柱沿空巷道安全施工的前提和保障，更是窄煤柱沿空掘巷技術(shù)能否試驗(yàn)成功的關(guān)鍵[6-10]。

1 工程概況

3106 工作面回風(fēng)巷為礦井首個(gè)窄煤柱沿空巷道，相鄰3104 工作面采空區(qū)。該采面為3-1 煤南翼首采面，面長320 m，設(shè)計(jì)推進(jìn)長度2934 m，開采煤厚平均5.1 m，直接頂為平均厚度7.87 m 細(xì)砂巖或砂質(zhì)泥巖，直接頂上方賦存平均厚度25.81 m砂巖互層。3104 工作面采完后，沿采空區(qū)邊緣掘進(jìn)3106 工作面回風(fēng)巷，實(shí)施窄煤柱沿空掘巷，窄煤柱寬度為6 m，沿空巷道斷面為矩形，巷道沿3-1煤層底板掘進(jìn)，斷面寬×高=5.4 m×4.2 m，面積22.68 m2。該巷道沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)為中等。

2 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)

區(qū)域方面，采用微震監(jiān)測對掘進(jìn)區(qū)域全覆蓋；局部方面，采用煤體應(yīng)力實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，配合鉆屑法作為監(jiān)測預(yù)警檢驗(yàn)手段，形成基于掘錨工藝條件下的防沖監(jiān)測系統(tǒng)。

1）微震監(jiān)測

布置方案：迎頭后方200 m 范圍布置2 個(gè)微震探頭，后方600～800 m 范圍布置一臺微震拾震器，利用相鄰3106 主運(yùn)巷內(nèi)微震測點(diǎn)對3106 回風(fēng)巷掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行包裹，確保至少6 個(gè)微震探頭對掘進(jìn)迎頭及其后方發(fā)生的低頻能量事件都能被接收到，如圖1 所示。

圖1 微震測點(diǎn)布置示意圖

2）應(yīng)力監(jiān)測

布置方案：迎頭后方監(jiān)測范圍不小于150 m（煤柱幫不布置），每組布置兩個(gè)基點(diǎn)，布置在回采幫，煤柱幫不布置，中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)組間距為沿巷道走向30 m，強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)組間距為沿巷道走向20 m，如圖2 所示。每組按深淺基點(diǎn)布置，深、淺基點(diǎn)分別為15 m、9 m，安裝孔孔徑42～45 mm，滯后迎頭距離不大于30 m。

圖2 應(yīng)力測點(diǎn)布置示意圖（m）

3）鉆屑法檢驗(yàn)

當(dāng)微震、應(yīng)力在線等監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)預(yù)警或現(xiàn)場出現(xiàn)明顯變形或壓力顯現(xiàn)等異常情況時(shí)，采取鉆屑法檢測作為驗(yàn)證和效果檢驗(yàn)手段。布置方案：在預(yù)警點(diǎn)兩側(cè)1～2 m 范圍內(nèi)各施工1 個(gè)檢驗(yàn)鉆孔，孔徑42 mm，孔深12～15 m，鉆孔距底板0.5～1.5 m。鉆孔方向與巷幫垂直，平行于煤層，用膠結(jié)袋收集煤粉，用測力計(jì)稱量煤粉質(zhì)量，每鉆進(jìn)1 m 測量1 次鉆屑量。

3 卸壓方案制定

3.1 臨空側(cè)采面斷頂預(yù)卸壓方案

3106 回風(fēng)巷窄煤柱沿空掘進(jìn)期間，提前在相鄰3104 工作面主運(yùn)巷煤柱幫進(jìn)行爆破切頂預(yù)卸壓。主運(yùn)巷煤柱幫布置一個(gè)頂板預(yù)裂鉆孔，鉆孔開孔位置距煤柱幫0.8 m，鉆孔與煤層夾角60°，鉆孔方位與巷道夾角0°，鉆孔深度38 m，孔徑75 mm，間距8 m。3106 回風(fēng)巷相鄰3104 主運(yùn)巷頂板爆破設(shè)計(jì)示意圖如圖3、圖4，爆破炮孔參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

表1 3104 工作面主運(yùn)巷切頂爆破孔參數(shù)表

圖3 3104 工作面主運(yùn)巷切頂爆破孔剖面示意圖（m）

圖4 3104 工作面主運(yùn)巷切頂爆破孔平面示意圖（m）

3.2 迎頭超強(qiáng)預(yù)卸壓方案

沖擊地壓礦井實(shí)施掘錨工藝下超前預(yù)卸壓方法，使掘錨工作面前方卸壓工作從無到有，解決掘錨工作面前方卸壓工程“盲區(qū)”，方案如下：

1）卸壓鉆車入場準(zhǔn)備。利用掘進(jìn)巷道每日早班設(shè)備檢修時(shí)間，將掘錨機(jī)開至迎頭最近位置，連運(yùn)一號車后退5 m 留出卸壓鉆車施工空間，在掘錨機(jī)和連運(yùn)一號車之間形成一個(gè)滿足卸壓鉆車施工側(cè)向卸壓鉆孔與巷道前方呈30°以下夾角的空間位置。

2）卸壓鉆孔設(shè)計(jì)及施工。利用有限空間位置開始施工超前側(cè)向卸壓鉆孔，孔徑為150 mm。第一天施工2 個(gè)鉆孔，鉆孔方位角與巷道呈20°、30°夾角，孔深30 m（水平投影距離28 m）、23 m（水平投影距離20 m）；第二天施工1 個(gè)鉆孔，鉆孔方位角與巷道呈20°夾角，孔深30 m(水平投影距離28 m)。掘進(jìn)工作面在滿足超前卸壓保護(hù)帶條件下，實(shí)現(xiàn)最大掘進(jìn)距離18 m，滿足國標(biāo)中“煤層鉆孔卸壓防治方法”涉及中等及弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域迎頭煤層卸壓鉆孔布置要求。最終形成“2+1”模式的超前側(cè)向卸壓方法(如圖5)，按照該模式，每兩天一個(gè)循環(huán)進(jìn)行施工。

圖5 迎頭超前卸壓布置方案及卸壓鉆孔（m）

4 微震監(jiān)測結(jié)果及迎頭超前卸壓效果分析

4.1 微震監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)巷道掘進(jìn)期間微震監(jiān)測結(jié)果，分析微震活動分布規(guī)律（圖6、圖7），規(guī)律分析如下：

圖6 微震事件分布規(guī)律

圖7 微震能量分布特征

1）超前掘進(jìn)迎頭150 m 內(nèi)，應(yīng)力較為集中，該區(qū)域微震事件在能量、頻次方面總體較低。超前迎頭100 m，出現(xiàn)低頻高能事件。超前迎頭50 m，微震事件出現(xiàn)高頻低能現(xiàn)象。因此，對超前迎頭150 m 范圍內(nèi)的煤體應(yīng)力采取大直徑鉆孔的方式，緩解應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

2）巷道掘進(jìn)期間微震活動劇烈區(qū)域在滯后迎頭50～200 m 范圍。滯后迎頭100～150 m 時(shí)，微震事件在此區(qū)域頻次與總能量均到達(dá)最大值，而滯后迎頭60～150 m 區(qū)域，現(xiàn)場施工卸壓孔，具有誘發(fā)大能量微震事件產(chǎn)生的可能性。

3）滯后迎頭0～60 m 為微震事件上升階段，事件相對較少，煤體處于彈塑性階段，應(yīng)力變化較小，在此區(qū)域范圍內(nèi)施工卸壓鉆孔，具有一定的安全高效性、施工時(shí)機(jī)的準(zhǔn)確性。

4.2 迎頭超前卸壓效果分析

3106 回風(fēng)巷沿空掘進(jìn)面施工初期，微震事件較多，出現(xiàn)煤炮頻繁、應(yīng)力集中、礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈等現(xiàn)象，采取迎頭卸壓措施后，其效果分析如下：

1）迎頭未采取大直徑鉆孔超前卸壓前，采用KBD5 電磁輻射儀測得的幅值一般在100 mV 左右，實(shí)施大直徑鉆孔超前卸壓后幅值明顯降低，一般穩(wěn)定在40～50 mV 之間。

2）實(shí)施大直徑鉆孔超前卸壓后，102～103J 能量事件發(fā)生頻次較卸壓前降低了53%，微震總能量較之前降低40%，煤炮聲的強(qiáng)度和頻次較未施工明顯降低。另外，采用Φ42 mm 的鉆孔進(jìn)行鉆屑量效果檢驗(yàn)，施工結(jié)果來看，4～10 m 鉆屑量小于卸壓前，10～12 m 鉆屑量大于卸壓前。

綜合以上，說明通過實(shí)施大直徑鉆孔超前卸壓，迎頭區(qū)域煤體應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中得到釋放，降低了迎頭前方?jīng)_擊危險(xiǎn)發(fā)生的可能性，達(dá)到了預(yù)期卸壓效果。

5 結(jié)論

1）掘錨工藝條件下利用檢修時(shí)間段實(shí)施超前側(cè)向卸壓方法，在不影響正常掘進(jìn)的情況下迎頭側(cè)前方得到充分卸壓，即改善了作業(yè)環(huán)境，又提高了安全系數(shù)。

2）通過實(shí)施“2+1”模式超前側(cè)向卸壓法，使掘錨工作面始終處于卸壓保護(hù)帶范圍內(nèi)；降低機(jī)械截割區(qū)域煤體靜載荷，破壞動靜載疊加誘沖條件；同時(shí)降低迎頭及幫部煤體應(yīng)力分布水平，并將應(yīng)力峰值向巷道深部轉(zhuǎn)移，達(dá)到預(yù)卸壓和解危的效果。

3）迎頭超前側(cè)向卸壓鉆孔能夠使鉆孔通過采空區(qū)側(cè)向塑性區(qū)進(jìn)入采空區(qū)側(cè)向彈性區(qū)，降低彈性區(qū)的應(yīng)力積聚；使巷道幫部片幫得到明顯改善，煤體應(yīng)力有了釋放的空間。

4）微震事件影響范圍為迎頭后200 m，該區(qū)域圍巖應(yīng)力較集中區(qū)、巷道兩側(cè)煤體破碎情況相對于滯后迎頭300 m 區(qū)域較為嚴(yán)重。因此，滯后迎頭200 m 范圍內(nèi)需嚴(yán)格執(zhí)行“限員準(zhǔn)入制度”。

5）微震事件較劇烈區(qū)位于迎頭后60～200 m，主要原因?yàn)樯细采皫r頂板彎曲下沉、回轉(zhuǎn)、破斷，向下傳遞載荷作用超過煤體承載能力，產(chǎn)生塑性破壞所致。

6）掘錨工作面在迎頭卸壓保護(hù)帶內(nèi)按沖擊危險(xiǎn)性劃分等級合理組織生產(chǎn)，提高支護(hù)強(qiáng)度和工程質(zhì)量，強(qiáng)化現(xiàn)場安全管理，能夠有效降低沖擊地壓對施工的影響，實(shí)現(xiàn)安全快掘。