窄煤柱沿空掘巷迎頭區(qū)貫通階段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及防治技術研究

陳國華，王顏亮，王朝引，韓 剛，呂玉磊，周 林，王 海

（1.烏審旗蒙大礦業(yè)有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017307；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083；3.中煤西北能源化工集團有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017307；4.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054）

0 引言

對于沖擊地壓礦井而言，沿空巷道一直是重點防治區(qū)域[1-3]，這一區(qū)域的防治工作對于保障礦井的安全穩(wěn)定至關重要。近年來，在采掘期間，發(fā)生在沿空巷道內的沖擊事故層出不窮，造成了巨大的人員損失和財產損失。而在沿空巷道掘進期間，尤其是巷道貫通階段，沖擊地壓問題愈發(fā)凸顯。巷道貫通是一個關鍵的階段，需要采取一系列的措施來應對沖擊地壓帶來的威脅[4-6]。為有效應對沿空巷道掘進貫通階段的沖擊地壓問題，眾多學者在巷道沖擊地壓發(fā)生機理、監(jiān)測及防治措施等方面開展研究。在巷道沖擊地壓發(fā)生機理方面，潘俊鋒等[7]提出沖擊啟動理論，認為沖擊的載荷源分為內因與外因，近場系統(tǒng)內集中靜載荷的積聚是沖擊啟動的內因，遠場系統(tǒng)動載荷對靜載荷的擾動、加載是沖擊啟動的外因；翁明月等[8]以門克慶煤礦11-3106 工作面窄煤柱沿空巷道為工程背景，分析得到上區(qū)段采空區(qū)側向固定支承壓力、本工作面移動支承壓力及關鍵層破斷導致的“動靜”加載是誘發(fā)窄煤柱臨空巷道沖擊顯現(xiàn)的關鍵因素；李康等[9]依托寬溝煤礦10203 工作面臨空巷道，分析得到臨空巷道發(fā)生沖擊的臨界條件，即采動與構造應力疊加后形成的高靜載為沖擊致災提供易滿足的應力條件。在巷道沖擊地壓監(jiān)測及防治措施方面，朱斯陶等[10]以新疆硫磺溝煤礦復合厚煤層巷道掘進為工程背景，開發(fā)了適合復合厚煤層巷道了的基于“地音大事件”概念的監(jiān)測預警方法；王澤東等[11]基于地音、錨索錨固力和鉆孔應力的敏感性分析，分析了深部掘進工作面沖擊地壓監(jiān)測多參量間的關聯(lián)性；董敬源等[12]結合7313 材料道地質賦存條件、掘進技術條件，針對性制定巷道迎頭頂板深孔爆破、巷幫加密鉆孔卸壓及控制掘進速度的掘進工作面沖擊地壓綜合性防治措施；蘇士杰[13]研究了21103 工作面過B4 背斜期間回風巷圍巖變形破壞特點，對21103 回風巷設計采用由上至下分階段四級高強卸壓方法，確保了過B4 背斜期間21103 工作面的安全回采。

具有沖擊地壓危險的沿空掘巷工作面，由于其復雜的應力環(huán)境，導致巷道貫通階段防沖工作的難度增大，如何確保工作面安全科學貫通成為關鍵技術問題?；诖?，對納林河二號礦井31120 沿空掘進工作面貫通階段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及防治措施展開研究，為保證類似條件下沿空掘進工作面貫通階段的安全施工具有重要意義。

1 工程概況

納林河二號礦井31120 工作面位于31 盤區(qū)北翼，西臨31121 工作面采空區(qū)，東臨31119 工作面實體煤，工作面傾向長300 m，走向長度2 614 m。31120 工作面回風巷沿煤層底板掘進且留設6 m 窄煤柱，煤層平均厚度6.3 m，煤層傾角1°～3°，煤層層位穩(wěn)定，結構簡單。

根據(jù)礦方采掘接續(xù)計劃，31120 掘進工作面選擇在回風順槽貫通，掘進順序為自南向北掘進膠運順槽→31121 采空區(qū)方向掘進開切眼→31120 主回撤方向掘進回風順槽，反掘至1 101 m 位置處停止掘進，另一施工隊伍開始沿31121 采空區(qū)留窄煤柱掘進，掘進方向為主回撤向切眼方向，2022 年7 月18 日早班貫通，貫通點位于主回撤開口向工作切眼方向1 513 m處，31120 工作面概況如圖1 所示。由圖1 可知，工作面上覆巖層分布，以工作面附近的NL15 鉆孔為例，工作面頂板巖層特征見表1。31120 工作面直接頂為4.30 m 厚的砂質泥巖，基本頂為上覆10.94 m 粉砂巖和25.28 m 細粒砂巖。

表1 工作面頂板巖層特性表Table 1 Characteristics of the top rock layer of the working face

圖1 31120 工作面概況Fig.1 Overview of the 31120 working face

2 厚煤層掘進工作面迎頭區(qū)沖擊地壓致災機理

2.1 迎頭區(qū)沖擊地壓致災機理研究

以掘進工作面順槽圍巖塑性區(qū)演化特征為依據(jù)，將掘進工作面分為迎頭區(qū)、塑性圈動態(tài)演化區(qū)和塑性圈穩(wěn)定區(qū)[14]。掘進工作面迎頭區(qū)前方超前支承壓力在局部煤體區(qū)域高度集中，當集中應力大于煤巖體強度，迎頭區(qū)前方煤體破壞，當煤體破壞產生的沖擊力大于迎頭區(qū)煤體的阻抗力時，煤體沖出（此時，沖出煤體重力相對很小，可以忽略）。根據(jù)上述分析建立厚煤層掘進迎頭區(qū)沖擊力學模型，如圖2 所示。圖2 中 σy為掘進迎頭區(qū)前方煤體垂直應力；τ1為順槽頂板對迎頭區(qū)前方煤體的阻力；τ2為順槽底板對迎頭區(qū)前方煤體的阻力；x為破壞煤體距迎頭區(qū)距離；khσy為破壞煤體上的沖擊力，其中，k為側壓系數(shù)，h為順槽高度。

圖2 厚煤層掘進工作面迎頭區(qū)沖擊力學模型Fig.2 Impact mechanics model of the heading area of the tunneling working face of thick coal seam

根據(jù)厚煤層掘進迎頭區(qū)的沖擊力學模型，其迎頭區(qū)沖擊力學條件見式（1）。

式中，Rc為迎頭區(qū)煤巖體強度，MPa。

順槽頂?shù)装鍖τ^區(qū)前方煤體的阻力，按式（2）計算。

式中：c1為迎頭區(qū)煤體與頂板接觸面的黏聚力，MPa；φ1為迎頭區(qū)煤體與頂板接觸面的摩擦角，（°）；c2為迎頭區(qū)煤體與底板接觸面的黏聚力，MPa；φ2為迎頭區(qū)煤體與底板接觸面的摩擦角，（°）；x為破壞煤體距迎頭區(qū)距離，m。

對厚煤層掘進工作面而言，其順槽頂板與底板大多數(shù)為煤體，故式（2）中區(qū)順槽頂?shù)装宓酿ぞ哿湍Σ两蔷∶后w參數(shù)，將式（2）優(yōu)化可得厚煤層順槽掘進迎頭區(qū)沖擊力學條件，見式（3）。

由此可知，厚煤層掘進工作面迎頭區(qū)發(fā)生沖擊地壓的機理主要為迎頭區(qū)前方煤體垂直應力大于其煤體強度而產生破壞。當破壞產生的沖擊力大于迎頭區(qū)煤體的阻抗力時，厚煤層順槽迎頭區(qū)發(fā)生沖擊地壓災害。掘進迎頭區(qū)前方煤體垂直應力越大，迎頭區(qū)煤體阻抗力越小，迎頭區(qū)越容易發(fā)生沖擊地壓災害。

2.2 巷道貫通階段迎頭區(qū)應力狀態(tài)分析

兩相向掘進的工作面迎頭區(qū)煤體應力演化過程，如圖3 所示。由圖3 可知，工作面掘進過程中，迎頭區(qū)煤體存在明顯的應力集中。隨著相向掘進的兩迎頭區(qū)之間距離的縮短，兩迎頭區(qū)超前支承壓力彼此疊加，造成迎頭區(qū)煤體應力演化發(fā)生了顯著變化。

圖3 相向掘進工作面迎頭區(qū)應力演化Fig.3 Evolution of stress in the heading area of the opposite tunneling working face

在巷道貫通階段，隨掘進工作面推進，迎頭區(qū)前方煤體尺寸減?。╨1＞l2＞l3），煤體受疊加應力擾動影響加劇，煤體內部應力分布形態(tài)由“馬鞍”形向“單峰”形演化，應力集中程度顯著升高（k3＞k2＞k1）。當迎頭區(qū)前方煤體垂直應力大于其煤體強度時，迎頭區(qū)一定深度區(qū)域內的煤體產生破壞；當破壞產生的沖擊力大于迎頭區(qū)煤體的阻抗力時，迎頭區(qū)前方煤體發(fā)生沖擊。

3 貫通階段迎頭滯后區(qū)域礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

隨著掘進工作面推進，相向掘進的兩個工作面迎頭區(qū)煤體依次經歷“未受疊加應力擾動階段”“疊加應力擾動初始階段”和“疊加應力擾動顯著階段”，掘進迎頭區(qū)沖擊危險程度隨之升高。因此，在巷道貫通階段，需加強對沖擊地壓的監(jiān)測預警工作，以合理確定兩迎頭區(qū)疊加應力擾動的影響范圍，即“掘進貫通擾動影響范圍”，并進一步確定有效的迎頭區(qū)的防沖技術措施，以確保巷道的安全貫通。

地音信號是一種高頻、低能量的微弱震動信號，對空間有限、擾動小、應力調整不明顯的掘進工作面具有良好的適應性，能夠有效反映掘進工作面煤體的受力過程及圍巖的活躍程度，實現(xiàn)對掘進工作面沖擊危險性的實時監(jiān)測與預警。因此，提出采用地音監(jiān)測的方法，分析了掘進貫通階段迎頭滯后區(qū)域地音事件突增的范圍，進而確定該范圍為掘進貫通擾動影響范圍。

3.1 地音監(jiān)測方案

為研究掘進貫通擾動影響范圍，選取三個監(jiān)測斷面為研究對象，每個監(jiān)測斷面安裝三個地音檢波器，分別安裝在巷道實體煤側、窄煤柱側與頂板側，其中，第一監(jiān)測斷面與第二監(jiān)測斷面為常規(guī)掘進區(qū)域，第三監(jiān)測斷面為貫通期間的監(jiān)測點，通過第三監(jiān)測斷面與前兩個斷面的數(shù)據(jù)分析對比，研究掘進貫通擾動的影響范圍。三個監(jiān)測斷面安裝位置如圖4所示。

圖4 地音監(jiān)測設備安裝布置Fig.4 Installation layout of aconstic emission equipment

3.2 貫通擾動影響范圍分析

對31120 工作面沿空掘巷滯后迎頭區(qū)范圍以40 m 進行分區(qū)，不同區(qū)域范圍內地音頻次與地音能量分布如圖5 所示。通過對正常掘進期間與貫通期間對比分析可知，在正常掘進期間滯后迎頭區(qū)0～160 m 后地音頻次與地音能量逐漸降低，而掘進貫通期間滯后0～40 m 區(qū)域地音頻次和地音能量呈現(xiàn)增大趨勢，尤其在40～120 m 范圍內開始發(fā)生突增。據(jù)此規(guī)律分析得出：掘進貫通期間距迎頭區(qū)60 m 時巷道掘進進入貫通影響區(qū)域，貫通擾動影響范圍為距貫通點120 m。

圖5 不同區(qū)域地音事件頻次與能量分布Fig.5 Frequency and energy distribution of aconstic emission events in different regions

4 掘進貫通階段卸壓措施及有效性分析

4.1 貫通階段卸壓措施方案設計

根據(jù)掘進貫通階段迎頭滯后區(qū)域地音事件變化規(guī)律可知：巷道貫通期間出現(xiàn)相對較高的礦壓顯現(xiàn)情況。因此，設計對掘進迎頭區(qū)采取多輪循環(huán)大直徑鉆孔卸壓的防沖措施。結合工程現(xiàn)場實際情況，在掘進貫通期間，共計采取5 輪鉆孔卸壓措施，卸壓鉆孔分布于沿空巷道掘進迎頭區(qū)及實體煤幫，鉆孔施工孔徑為89 mm 和200 mm，窄煤柱側不予施工。貫通階段共計施工7 輪循環(huán)卸壓鉆孔，累計施工180個鉆孔，累計卸壓進尺4 954 m。各循環(huán)貫通剩余距離及卸壓工程量，見表2。

表2 各循環(huán)貫通距離及卸壓工程量Table 2 The distance between each cycle and the amount of pressure relief work

4.2 卸壓措施有效性分析

貫通期間施工卸壓鉆孔總長度對于總頻次和振幅影響如圖6 所示。由圖6 可知，通過對掘進迎頭區(qū)的多輪卸壓措施，使得整體地音頻次與地音能量呈現(xiàn)下降的趨勢，為巷道貫通提供了有力保障。

圖6 卸壓期間總頻次和總能量分布Fig.6 Total frequency and total energy distribution during pressure relief

分別對不同班次的地音頻次與地音能量進行統(tǒng)計，在7 月2 日中班、7 月5 日早班和7 月8 日夜班進行大直徑卸壓措施，在卸壓過程中煤體應力得到釋放，出現(xiàn)能量與頻次升高的現(xiàn)象，經過后續(xù)的幾輪卸壓措施中，掘進貫通區(qū)域煤體應力釋放能量較小，隨后貫通期間與常規(guī)掘進期間穩(wěn)定區(qū)間基本相同，為沿空窄煤柱掘進順利貫通、人員安全提供有效保障。具體大直徑卸壓循環(huán)施工時間段內，第三監(jiān)測斷面每日各班次地音頻次與地音能量分布如圖7 和圖8所示。

圖7 第三監(jiān)測斷面卸壓期間每日各班次地音頻次Fig.7 Local acoustic frequency of each shift per day during pressure relief of the third section

圖8 第三監(jiān)測斷面卸壓期間每日各班次地音能量Fig.8 Local acoustic energy of each shift per day during pressure relief of the third section

5 結論

1）根據(jù)掘進工作面順槽圍巖塑性區(qū)演化特征，分析厚煤層掘進工作面迎頭區(qū)沖擊地壓發(fā)生機理，即在迎頭超前支承壓力作用下，迎頭區(qū)煤體發(fā)生破壞，且產生的沖擊力大于迎頭區(qū)煤體的阻抗力時，迎頭區(qū)發(fā)生沖擊地壓災害。巷道貫通階段，相向掘進的兩迎頭區(qū)超前支承壓力彼此疊加，導致迎頭區(qū)應力集中程度顯著升高，從而使得迎頭區(qū)煤體沖擊危險程度顯著升高。

2）分析掘進貫通階段的迎頭區(qū)應力演化過程，提出“掘進貫通擾動影響范圍”的概念。采用地音監(jiān)測的方法，分析掘進貫通階段迎頭滯后區(qū)域地音事件突增的范圍，確定該范圍為掘進貫通擾動影響范圍。

3）針對貫通階段迎頭滯后區(qū)域地音事件突增的情況，制定了貫通階段掘進迎頭區(qū)采取多輪循環(huán)卸壓的防沖措施。實測結果表明，經過多輪卸壓措施，掘進貫通區(qū)域煤體應力釋放能量與常規(guī)掘進期間穩(wěn)定區(qū)間基本相同，為沿空窄煤柱掘進順利貫通、人員安全提供有效保障。