大埋深高應(yīng)力煤巷幫部遞進式卸壓技術(shù)及應(yīng)用

高久國 李振安

（1.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 272055；2.濟寧市能源綜合執(zhí)法支隊，山東 濟寧 272000）

沖擊地壓是煤礦開采的典型動力災(zāi)害，且隨著煤炭開采深度的延伸，其災(zāi)害頻次和強度逐漸增大[1]。為有效防治深部煤礦巷道沖擊地壓災(zāi)害，國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，影響巷道沖擊的主要因素包括圍巖本身物理特性、應(yīng)力分布及支護強度[2]。單純加強支護的方法，施工繁瑣且防沖效果難保證，而圍巖本身物理特性難以改變，因此，改善圍巖應(yīng)力分布成為防治巷道沖擊地壓的最有效途徑。其中，應(yīng)力轉(zhuǎn)移理論作為沖擊地壓防治中重要的觀點得到了廣泛的關(guān)注。目前，基于應(yīng)力轉(zhuǎn)移理論的沖擊地壓局部卸壓技術(shù)，常見的大直徑鉆孔卸壓技術(shù)，具有施工方便、成本低廉等優(yōu)越性，得到廣泛的應(yīng)用。Wen Y L 等[3]對沖擊地壓巷道鉆孔卸壓過程應(yīng)力場的變化進行對比分析，指出卸壓效果主要取決于鉆孔直徑和分布間距。Thuro K 等[4]對各向異性巖石在鉆孔和切割過程中的斷裂擴展進行了研究。劉紅崗等[5]分析得到了巷道圍巖在動態(tài)載荷下?lián)p傷破壞發(fā)展的過程，對破壞過程中應(yīng)力場重新分布過程進行了闡述。Huang B 等[6]研究了鉆孔參數(shù)對類巖石試樣基本力學(xué)參數(shù)的影響。王愛文等[7]對鉆孔煤樣破碎過程進行了分析，研究得到了其中的能量耗散規(guī)律。朱斯陶等[8]以巨厚煤層的工作面掘進狀態(tài)和卸壓區(qū)域為研究對象，揭示了大直徑鉆孔卸壓失效機理，提出了優(yōu)化卸壓鉆孔布置方式的防治措施。Zhu S 等[9]采用應(yīng)力和微震監(jiān)測研究了鉆孔卸壓效果。由上述研究可知，巷道應(yīng)力的轉(zhuǎn)移實質(zhì)上是通過人工的方式將圍巖所處的應(yīng)力環(huán)境進行降低或使巷幫應(yīng)力分布發(fā)生改變，達到降低支承壓力峰值并向巷幫深部轉(zhuǎn)移的目的，來維持巷道長期穩(wěn)定。

唐口煤業(yè)公司工作面開采普遍處于千米以上，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，開采范圍內(nèi)煤巖體處于高應(yīng)力環(huán)境。為了有效防控沖擊地壓災(zāi)害，提出了分段擴孔卸壓技術(shù)、一孔多用卸壓技術(shù)、沿空順槽定向斷頂-跨面預(yù)卸壓技術(shù)等，并研究了相應(yīng)的卸壓效果，構(gòu)建了千米深井多空間遞進式防沖技術(shù)體系。

1 概況

唐口煤業(yè)公司主采3（3上）煤層，厚度2.10～10.70 m，平均5.14 m。330 采區(qū)采用條帶回采，工作面寬度為60～90 m，相鄰工作面間留設(shè)不小于50 m 的煤柱。該工作面布置條件下，工作面沖擊的危險源為以自重應(yīng)力和采動支承壓力為主的靜載荷源、以該工作面堅硬頂板斷裂為主的動載荷源，載荷源具體見表1。

表1 唐口礦典型工作面布置形式下沖擊啟動載荷源

530 和630 采區(qū)主要采用留小煤柱沿空回采，工作面寬度為180～250 m，相鄰工作面間留設(shè)不大于8 m 的煤柱。該工作面布置條件下，工作面沖擊的危險源為以自重應(yīng)力和采動支承壓力為主的靜載荷源、以本采空區(qū)或鄰近采空區(qū)堅硬頂板斷裂為主的動載荷源。

2 高應(yīng)力巷幫深淺多級卸壓技術(shù)

2.1 分段擴孔卸壓技術(shù)

高應(yīng)力煤體卸壓技術(shù)中，大直徑鉆孔卸壓技術(shù)具有施工方便、成本低廉等優(yōu)越性，得到廣泛的應(yīng)用。研究表明：卸壓鉆孔孔徑越大則卸壓效果越好，但過大孔徑的鉆孔會使煤體破碎嚴重，從而喪失承載能力，容易造成巷道大變形甚至支護失效?？紤]到卸壓鉆孔長度范圍一般為15～20 m，而巷道支護范圍為巷幫深度3 m 左右，為了在不影響支護體系與巷道穩(wěn)定的前提下達到良好的卸壓效果，提出了分段擴孔卸壓方法，即選取合適的擴孔鉆頭在巷幫淺部區(qū)間施工小直徑鉆孔，在巷幫深部區(qū)間施工大直徑鉆孔，如圖1。

圖1 分段擴孔卸壓技術(shù)示意圖

2.2 一孔多用卸壓技術(shù)

高應(yīng)力煤體常采用大直徑鉆孔、鉆孔爆破、煤層注水等技術(shù)進行卸壓解危。在施工過程中都會進行鉆孔施工，對于高應(yīng)力集中區(qū)域，一般會采用多種卸壓技術(shù)相結(jié)合的手段進行充分卸壓，導(dǎo)致煤體鉆孔密集分布、工程量大，且相鄰鉆孔間會相互影響，如注水孔可能通過卸壓孔漏水。因此，為了在保證充分卸壓的基礎(chǔ)上，提高施工效率，降低勞動強度，研發(fā)了一孔多用技術(shù)。

2.2.1 “鉆+壓+注”技術(shù)

“鉆+壓+注”一孔多用技術(shù)，為深孔卸壓技術(shù)，采用鉆孔卸壓、水力壓裂、靜壓注水的方式，如圖2 所示。具體流程：

圖2 “鉆+壓+注”鉆孔卸壓過程示意圖

1）鉆孔卸壓：在卸壓地點，采用鉆機鉆進大直徑鉆孔（直徑75 mm、孔間距20 m、孔深160 m），進行初步鉆孔卸壓；

2）封孔：注水孔封孔采用深孔高壓限位注漿封孔技術(shù)進行封孔（封孔長度20 m）；

3）高壓注水：封孔器外接高壓注水管路，進行高壓注水作業(yè)，壓力不小于30 MPa，當壓力出現(xiàn)明顯降低，說明高壓水已經(jīng)進入致裂煤層；

4）靜壓注水：長時靜壓注水，注水壓力不小于2 MPa。

2.2.2 “鉆+切”技術(shù)

“鉆+切”一孔多用技術(shù)，為淺孔卸壓技術(shù)，采用鉆孔卸壓、水力切縫的方式進行，如圖3 所示。具體流程：

圖3 “鉆+切”鉆孔卸壓過程示意圖

1）鉆孔卸壓：在卸壓地點，采用鉆機鉆進大直徑鉆孔（如直徑150 mm，孔深25 m），進行初步鉆孔卸壓；

2）水力切縫：利用特制噴嘴鉆頭的沖擊水壓力切割煤層，同時監(jiān)測控制閥上壓力表的壓力變化，當壓力出現(xiàn)明顯降低，說明高壓水已經(jīng)進入煤層。

2.3 沿空順槽跨面超前預(yù)卸壓技術(shù)

為實現(xiàn)沿空順槽的提前卸壓，提出了沿空順槽定向斷頂-跨面預(yù)卸壓技術(shù)，在該工作面順槽定向斷頂，減小該工作面及鄰近工作面來壓強度。該工作面順槽向下一工作面施工加長版大直徑鉆孔，提前進行預(yù)卸壓，如圖4 所示。工程試驗表明，跨面預(yù)卸壓技術(shù)有效減少了下一工作面順槽的卸壓孔數(shù)量，鉆孔間距由1 m 優(yōu)化為3 m，達到鄰近兩工作面頂板來壓、下一工作面順槽掘進支承壓力一次性削弱的目的，有效保證了工作面接續(xù)及正常生產(chǎn)。

圖4 沿空順槽定向斷頂-跨面預(yù)卸壓技術(shù)（m）

3 多空間遞進式防沖技術(shù)體系

唐口礦沖擊地壓防治堅持“宏觀調(diào)控、根源治理、主動防治、雙控雙贏”的防沖理念，宏觀上合理采場布置，優(yōu)化開拓布局，避免孤立煤柱等區(qū)域性高應(yīng)力集中條件形成。采取區(qū)域性治理措施消除沖擊地壓產(chǎn)生條件，以區(qū)域防范為先導(dǎo)，采取局部跟進的治理模式，深入落實個體防護措施，形成“宏觀→區(qū)域→局部→個體防護”的四級治理體系，建立了千米深井沖擊地壓多空間遞進式防沖技術(shù)體系，如圖5。

圖5 沖擊危險分源監(jiān)測預(yù)警-遞進式卸壓解危技術(shù)體系

4 應(yīng)用效果對比

4.1 分段擴孔卸壓技術(shù)應(yīng)用效果

為了研究分段擴孔卸壓與常規(guī)大直徑鉆孔卸壓效果對比，在工作面進行了兩種方法的對比測試，測試結(jié)果見表2。與原大直徑鉆孔卸壓技術(shù)進行工程應(yīng)用對比，在施工效率方面每米巷道分段擴孔卸壓的卸壓孔排粉量提高0.03 t，鉆孔數(shù)量減少一半，施工效率提高至1.4 倍。通過卸壓效果的對比，結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)力監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，擴孔卸壓技術(shù)卸壓效果更優(yōu)，雖然在理論上分段擴孔卸壓排粉量僅是原大直徑鉆孔卸壓技術(shù)的2倍，但實際工程應(yīng)用中，擴孔施工后，分段擴孔卸壓的鉆孔效應(yīng)更加明顯，煤體塌孔排粉量遠超理論值，產(chǎn)生更好的卸壓效果。支護體系影響上，新擴孔卸壓技術(shù)只需考慮避免煤體自燃，因此僅用炮泥封口即可，不需要對封孔進行加固處理，避免了封孔質(zhì)量對巷道支護效果的影響。經(jīng)過現(xiàn)場觀測，與大直徑鉆孔卸壓技術(shù)相比，擴孔卸壓對維護巷道支護和控制圍巖變形具有良好的效果。

表2 鉆孔卸壓技術(shù)對比

4.2 一孔多用卸壓技術(shù)對比

“一孔多用”技術(shù)與常規(guī)卸壓技術(shù)對比見表3。采用常規(guī)卸壓技術(shù)時，每百米巷道需要施工大直徑鉆孔62.5 個，施工注水孔2.5 個。采用“一孔多用”技術(shù)時，每百米巷道需要施工“鉆+壓+注”鉆孔8.3 個，施工“鉆+壓+注”鉆孔25 個，每百米鉆孔總數(shù)為常規(guī)卸壓技術(shù)的51%。假設(shè)以每個鉆孔的鉆進體積近似代表鉆孔施工工作量，則采用“一孔多用”卸壓技術(shù)時，每百米總鉆進量為常規(guī)卸壓技術(shù)的66%，提高了卸壓施工效率。

表3 “一孔多用”技術(shù)對比

4.3 沿空順槽跨面超前預(yù)卸壓技術(shù)效果分析

通過在5306 皮帶順槽向5307 工作面沿空順槽方向超前施工卸壓鉆孔，并采取爆破斷頂措施，降低了5307 軌道順槽掘進期間的采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，同時削弱5306 工作面及5307 工作面回采期間初次來壓及“見方”影響區(qū)域的來壓強度，減少5307 軌道順槽沿空段大直徑卸壓孔工程量，有效避免沿空順槽掘進期間的停頭卸壓影響，達到削弱兩個工作面三個階段沖擊危險程度的目的，保證了工作面接續(xù)及正常生產(chǎn)。

5307 軌道順槽進入沿空前完成了預(yù)卸壓，為5307 軌道順槽里段掘進留出14 m 的卸壓保護帶，避免了5307 軌道順槽在掘進過程中停頭卸壓，在確保安全的前提下保證掘進效率。在此基礎(chǔ)上可優(yōu)化5307 軌道順槽里段生產(chǎn)幫大直徑卸壓孔的參數(shù)，減少大直徑鉆孔施工個數(shù)，在保證安全生產(chǎn)的前提下減少了工程量，節(jié)省了資金。

4.4 多空間遞進式防沖技術(shù)體系應(yīng)用

依據(jù)沖擊地壓模型確定沖擊啟動集中靜載荷源與動載荷源，建立分源監(jiān)測及綜合預(yù)警系統(tǒng)，利用兩中心、一平臺開展防沖大數(shù)據(jù)研究，形成可靠的多參量耦合預(yù)警系統(tǒng)。以綜合預(yù)警平臺四級預(yù)警為基礎(chǔ)，有針對性采取限產(chǎn)、停產(chǎn)、卸壓解危措施，及時消除沖擊地壓隱患。根據(jù)危險等級實施高靜載煤體深淺多級卸壓、一孔多用卸壓技術(shù)、堅硬頂板定向斷頂及跨面預(yù)卸壓、底板卸固耦合等解危技術(shù)，并采用鉆屑法或微震監(jiān)測法對卸壓效果進行檢驗,確認鉆屑法檢驗煤粉量不超標或微震事件釋放能量降低后，方進行采掘作業(yè)。

5 結(jié)語

1）研發(fā)了分段擴孔卸壓技術(shù)。在巷幫淺部區(qū)域采用常規(guī)鉆頭鉆進小孔徑鉆孔，在深部區(qū)域更換擴孔鉆頭鉆進大直徑鉆孔；施工效率提高至1.4 倍。

2）研發(fā)了淺孔“鉆+切”和深孔“鉆+壓+注”一孔多用技術(shù)，每百米鉆孔總數(shù)為常規(guī)卸壓技術(shù)的51%，每百米總鉆進量為常規(guī)卸壓技術(shù)的66%，大幅度較少了鉆孔工作量，提高了卸壓施工效率。

3）為實現(xiàn)沿空順槽的提前卸壓，提出了沿空順槽定向斷頂-跨面預(yù)卸壓技術(shù)，即：在該工作面順槽定向斷頂，減小該工作面及鄰近工作面來壓強度；該工作面順槽向下一工作面施工加長版大直徑鉆孔技術(shù)，提前進行預(yù)卸壓；跨面預(yù)卸壓技術(shù)達到了削弱兩個工作面三個階段沖擊危險程度的目的。

4）構(gòu)建了千米深井沖擊地壓多空間遞進式預(yù)卸壓技術(shù)體系。