高应力区巷道掘进矿压综合防治方法探究与实践

徐元强，吴学松

(华亭煤业集团 砚北煤矿，甘肃 平凉 744100)



高应力区巷道掘进矿压综合防治方法探究与实践

徐元强，吴学松

(华亭煤业集团 砚北煤矿，甘肃 平凉 744100)

针对高应力区巷道掘进困难、易发生冲击矿压的难题，运用FLAC3D对巷道掘进过程中应力演变进行模拟，结合区域构造实际，分析了冲击矿压发生的原因，从技术与管理两个层面入手，提出了以立体、多方位、长短孔差异爆破综合卸压方案和《掘进工作面矿压安全管理“十禁令”安全管理办法》为核心的高应力区巷道掘进矿压综合防治方法，并进行实践应用，该方法提高了掘进工效，极大地降低了冲击矿压次数，有效控制了冲击矿压的破坏程度，实现了工作面安全掘进。

高应力区；巷道掘进；冲击矿压；矿压防治；安全管理

Explore and Practical of Pressure Integrated Prevention During Roadway Driving in High Stress Area

冲击矿压是矿井生产过程中遇到的一种动压现象，近年来随着开采深度的增大，这种现象越来越突出。高应力区巷道掘进时易发生冲击矿压，造成巷道顶沉底鼓、轨道翻转、锚索锚杆断裂等破坏，给生产和人员安全造成重大威胁[1]。

砚北煤矿250202工作面掘进时，巷道压力大，煤爆声频繁，掘进工作困难。为保证生产的正常进行，根据现场实际情况，分析了冲击矿压发生的原因，设计了综合卸压方案，采用FLAC3D对卸压效果进行模拟，同时制定了有效的安全管理方法，并进行矿压防治实践，取得了良好的效果。

1　冲击矿压原因分析

在巷道掘进过程中，发生冲击矿压的原因是多方面的，砚北煤矿冲击矿压可以归类为“震-冲”型冲击矿压，主要特征表现为井下发生破坏的同时伴随有高能量震动[2-3]。震源点和高应力集中区域是冲击矿压发生的必要条件，高能量震动为诱发因素，破坏区为高应力集中区。震源点与破坏区域并不完全重合，发生冲击矿压的区域必须是震动点影响区和高应力区的叠加区域，二者均受工作面掘进扰动的影响。震源点位置取决于煤岩层的断裂，发生时间、地点、机率均不确定，随机性较强，而掘进过程中高应力集中区域分布范围具有明显的规律性，为矿压防治技术实施提供了可能性[4]。

砚北煤矿250202运输巷区域构造较为复杂，褶皱构造发育。开口处位于背斜轴东翼，切眼处横穿向斜轴，且沿走向次级褶曲发育，造成底板起伏不平，巷道呈波状起伏。在向、背斜构造区域，巷道掘进过程中应力集中，压力较大[5]，并且巷道采用综掘方式掘进，掘进机割煤过程中应力扰动影响大，造成掘进迎头附近应力叠加，能量集聚，形成冲击地压发生的能量条件。巷道开掘后，由于煤层倾角原因，左帮煤岩层向下滑动断裂，产生微震震动，形成冲击矿压的诱发源，这与SOS微震监测数据具有很高的吻合性(见图1)。根据上述分析可知，250202运输巷掘进过程中冲击矿压发生的两个条件均具备，因此，此区域为冲击矿压易发区，必须采取有效的矿压防治办法才能保证巷道安全掘进。

图1　250202运输巷掘进某日微震震动分布

2　矿压防治技术

通过砚北煤矿多年的防治实践，爆破卸压在砚北煤矿掘进工作面具有良好的适用性。爆破卸压可根据施工位置、钻孔深度的不同分为煤体爆破卸压、顶板深孔爆破卸压、底板深孔爆破卸压、掘进迎头深孔爆破卸压等类型。爆破卸压具有适应性强、易操作的优点[6-7]。爆破卸压的主要作用有[8]：一是降低煤岩体的强度和冲击倾向性，从而降低冲击矿压危险性；二是爆破卸压后迫使应力高峰区向岩体深部转移；三是降低应力集中程度，减弱冲击矿压的强度。

2.1卸压方案设计

卸压方案设计要充分考虑掘进迎头应力集中区的分布及现场生产特点，主要有以下3点：

(1)综合防治原则掘进迎头应力集中区呈空间分布，并不在一个平面上，单一的爆破卸压方法不能消除不同方位的应力集中区，卸压效果与预期相差甚远，甚至由于卸压方案不当，导致新的不可预知的应力集中区的出现，给安全生产埋下隐患。

(2)保护区设置根据声学近似法，爆炸破碎区半径计算公式为：

(1)

式中，rp为破碎区半径，m；rb为装药半径，m；μ为侧压力系数；P为爆腔岩壁初始压力，Pa；Rt为岩石抗拉强度，Pa；ρ0为炸药密度，kg/m3；ρm为岩石初始密度，kg/m3；D为炸药爆轰速度，m/s；Cp为岩石纵波波速，m/s；γ为岩石泊松比；α为压缩波衰减指数。

爆破裂隙区半径r的计算公式为

r=krp

(2)

式中，k为破碎区增大系数，采用不耦合装药，取k为1.67。

公式(1)中的相关参数取值见表1。经计算可得出爆破裂隙区半径r=4.15m。为防止破坏顶帮支护，应留有2m以上的保护区。

表1　破碎区计算参数取值

(3)钻孔长度与药量方案设计要充分考虑施工可行性，钻孔深度过大，不但会造成卸压效果不理想，又会造成装药困难。经现场实践，钻孔深度为10～30m，装药量不超过24kg，可达到安全高效卸压效果。

因此，250202运输巷区域卸压设计采用立体、多方位、长短孔差异爆破卸压方案。综合运用煤体爆破卸压、顶板深孔爆破卸压、底板深孔爆破卸压、掘进迎头深孔爆破卸压等方法进行卸压。爆破卸压方案设计的参数见表2和图2。具体施工可根据工作面实际情况与掘进速度采用每天防治或隔天防治。

表2　卸压钻孔参数

图2　卸压方案设计示意

2.2卸压效果模拟分析

为了掌握卸压方案的预期效果，采用FLAC3D进行数值模拟，分析卸压前后应力分布特点。卸压后有效卸压范围内的煤岩体强度设置为原有的1/10，并在卸压区域内设置多个监测点，对比分析卸压前后应力值的变化趋势(见图3)。从图3中可以看出，卸压措施实施后，工作面附近四周煤岩体应力值均出现降低，工作面迎头深孔和两帮煤体卸压效果最为显著(图3(a)，(b))，应力高峰区明显向煤岩体深部转移，有效破坏了冲击矿压发生条件，保证了作业空间的安全。

图3　卸压前后应力值变化

3　矿压安全管理

在多年矿压防治实践中发现，冲击矿压可防、可控、可治，但是难以根除。当卸压技术达到一定水平后，安全管理越来越重要。冲击矿压的治理应当坚持技术与管理并重，才能真正实现安全生产。针对掘进工作面矿压危险区域人员作业安全、设备材料管理等问题，砚北煤矿制定了《掘进工作面矿压安全管理“十禁令”管理办法》，分别从人员防护、“三限”管理、安全监管等方面规范作业流程，保证作业安全。具体细则为：个体防护不到位严禁作业；现场无跟班队长严禁作业；未执行敲帮问顶严禁作业；限位管理不落实严禁作业；安全空间不足时严禁作业；掘进迎头人数超员时严禁作业；顶板支护不可靠严禁作业；预警或设备运行时严禁作业；爆破后半小时内严禁作业；警戒设置不到位严禁作业。

4　实施效果

将制定的卸压方案和《掘进工作面矿压安全管理“十禁令”管理办法》在250202掘进工作面实践应用，取得了良好的效果。工作面在掘进时应力集中程度明显降低，掘进工效由原来的每天不足1.6m提高到每天4m，提高了150%；冲击矿压次数明显降低，由原来每月3～4次降低至每月不足1次；有效控制了冲击矿压的破坏程度，多次实现“有震动无冲击”；从巷道开掘至今未发生任何矿压伤人事故，巷道掘进矿压综合防治方法实现了工作面安全掘进。

5　结　论

(1)高应力区巷道掘进过程中，掘进迎头附近会在空间不同方位出现应力集中区，易发生冲击矿压，威胁作业人员安全。

(2)巷道掘进过程中，受掘进扰动影响，会出现高应力储能状态转变为低应力能量释放状态的应力降低区，此区域煤岩体易发生破裂，产生高能量震动，形成冲击矿压诱发源。

(3)综合采用煤体爆破卸压、顶板深孔爆破卸压、底板深孔爆破卸压、迎头深孔爆破卸压等卸压技术，设计的立体、多方位、长短孔差异爆破卸压方案具有良好卸压效果，配合《掘进工作面矿压安全管理“十禁令”管理办法》，可实现高应力巷道安全掘进。

[1]窦林名,何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社,2001.

[2]姜福兴,王平,冯增强,等.复合型厚煤层“震-冲”型动力灾害机理、预测与控制[J].煤炭学报,2009,34 (12):1605-1609.

[3]夏永学,蓝航,毛德兵.动静载作用下冲击地压启动条件及防治技术[J].煤矿开采,2013,18(5):83-86.

[4]赵毅鑫.煤矿冲击地压机理研究[D].北京:中国矿业大学(北京),2006.

[5]陈国祥,孙强.基于褶皱区应力场分布规律的冲击矿压防治[J]. 矿业安全与环保,2011,38(2):43-45.

[6]徐学锋,窦林名,刘军,等.煤矿巷道底板冲击矿压发生的原因及控制研究[J].岩土力学,2010,31(6):1977-1981.[7]牟宗龙,窦林名,张广文,等.坚硬顶板型冲击矿压灾害防治研究[J].中国矿业大学学报,2006,35(6):737-741.

[8]窦林名,陆菜平,牟宗龙,等.煤岩体的强度弱化减冲理论[J].河南理工大学学报,2005,24(3):169-175.

[责任编辑：潘俊锋]

2016-05-18

徐元强(1972-)，男，甘肃灵台人，高级工程师，砚北煤矿矿长，长期从事煤炭科技管理及研究工作。

TD324.2

B

1006-6225(2016)05-0083-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.023

[引用格式]徐元强，吴学松.高应力区巷道掘进矿压综合防治方法探究与实践[J].煤矿开采，2016，21(5)：83-85.