厚煤层沿空巷道贯通阶段冲击地压防控技术*

杨 琛，赵玉桃，李 强 ，张明禄，梁少剑

(1.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710000；2.陕西陕煤铜川矿业有限公司，陕西 铜川 727000)

0 引言

近年来，随着开采深度与开采强度的增加，我国煤矿冲击地压灾害日益严重，多起重大冲击地压事故接连发生，造成巨大财产损失和人员伤亡。2018年10月20日，山东龙郓煤业发生冲击地压导致井下21人遇难[1-2]；2019年6月和8月，吉林龙家堡煤矿和河北唐山矿先后发生冲击地压事故，共造成16人遇难[3-6]；2020年春节刚过，山东新巨龙矿井发生冲击地压事故，造成4人死亡[7]；我国冲击地压灾害的防治形势仍较为严峻。对于冲击地压矿井而言，沿空巷道一直是重点防治区域[8]。近年来，在采掘期间，发生在沿空巷道内的冲击事故层出不穷，造成了巨大的人员和财产损失。而在沿空巷道掘进期间，尤其是巷道贯通阶段，其冲击地压带来的威胁则更为突出[9-10]。崔木煤矿所采的3号煤层及其顶板均具有冲击倾向性，沿空掘进期间多次发生动力显现，大大增加了巷道贯通时期的冲击危险性，如何确保巷道安全贯通成为该矿防冲工作面临的技术问题。对此，崔木煤矿开展巷道贯通时期的技术研究，并在21306工作面机巷顺槽成功应用。

1 掘进工作面概况

崔木煤矿目前主采21盘区，21306工作面为21盘区的第6个工作面，设计巷道位于3号煤层中，煤层厚度约为16～19 m。21306机巷紧靠21305风巷，位于花园阳坡向斜东翼，东邻21305工作面采空区，南为中央3条主要大巷(回风、皮带、辅运)。工作面起止标高663～717 m，平均倾向宽1 517 m。21306机巷全断面为矩形锚网梁索支护。巷道按中线设计坡度施工，净断面尺寸为5.5 m×3.55 m(宽×高)，S净=19.525 m2。锚杆间排距为800 mm×800 mm。顶部锚杆采用W钢带梁支护，巷道里端挂菱形网，顶板锚索采用直径为φ17.8 mm钢绞线制作，长度为7 300 mm，间排距为1 600 mm×1 600 mm。

21306机巷邻近21305采空区，采掘期间动力显现频繁，严重影响巷道的掘进速度，因此，21306风巷在掘进到位之后，继续掘进切眼，切眼完成之后，则开始反掘21306机巷，使得21306机巷呈相向掘进状态。在两迎头相向掘进时，由于煤炮震动频繁，巷道底鼓及下沉现象严重，则在相距150 m时停止了机巷里段的掘进，由中段巷道完成最后的贯通阶段，21306工作面机巷贯通区域具体位置如图1所示。

图1 21306工作面机巷贯通区域位置Fig.1 The location of the run-through area of 21306 machine roadway

2 贯通期间冲击危险性分析

2.1 贯通期间主要冲击影响因素

开采深度：21306机巷工作面对应开采垂直深度为650～700 m。根据资料统计，21306工作面具备冲击地压发生的埋深条件。

煤层冲击倾向性：崔木煤矿21盘区煤层及顶板冲击倾向性的测试结果表明，该煤层及顶板具有弱冲击倾向。表明其煤岩系统具有诱发冲击地压的能力[11]。

顶板岩层条件：21306工作面距离煤层最近的一层为中砂岩顶板。位于煤层上方10 m左右的位置，厚度达到了18.78 m，造成采空区侧顶板悬顶，从而使得煤柱侧承载高应力[12]。

区段煤柱的影响：21306工作面机巷邻近21305工作面采空区，区段煤柱为35 m左右。煤柱留设不合理造成煤柱及巷道侧应力集中，巷道底鼓、两帮移近等变形明显。

底煤：21306工作面机巷布置在煤层中，底煤厚度不等，平均2～4 m。而煤层本身具有冲击倾向性，使得底板成为巷道最为薄弱的区域，易发冲击。

2.2 贯通期间冲击危险性分析

根据上述影响因素，结合21306工作面地质及开采条件，利用FLAC3D数值模拟软件对贯通时期的应力分布情况进行分析。模型走向长度160 m，倾向长度150 m，高度72 m。在模型上方依然有560 m厚度的岩层未模拟，按等效载荷代替。模型4个立面均固定法向位移，底面同样固定法向位移。对21305采空区的模拟方法采用开挖—计算—充填—再计算的方法，模拟采空区垮落压实的过程。为提高初始平衡运算速度，煤层、顶板和底板的采用同样的单元格划分标准。

对21305采空区和泄水巷提前进行开挖模拟，之后再进行21306机巷的掘进模拟，模型过程为每掘进10 m，计算250时步，依次循环。在贯通期间，两侧工作面相向掘进，超前支承压力相互叠加，使得贯通区域具备较高的应力集中。通过数值模拟计算在贯通巷道剩余100 m时的垂直应力分布情况，21306机巷在贯通阶段的垂直应力分布云图如图2所示。一方面，受到21305采空区侧向应力的影响，整个煤柱为高应力区；另一方面，由于巷道贯通区域受两侧应力叠加，整体应力也较其他区域高。因此，在贯通阶段，也是冲击地压发生的危险时期。为确保贯通时期的安全生产，采取多种防治手段避免冲击事故的发生。

图2 贯通阶段垂直应力分布云图Fig.2 Cloud map of vertical stress distribution in run-through stage

3 贯通期间冲击地压防治技术

3.1 冲击地压监测措施

3.1.1 微震监测

通过在21306里段加设微震探头，可以实现对21306机巷未掘区域的微震监测。对于该期间的微震监测，首先要加快微震数据的处理速度，对于出现的大能量事件及时做好预警。整个贯通阶段，微震分布情况如图3所示。根据微震监测数据，在巷道相向掘进期间，随着两工作面之间距离的缩短，能量有明显的增加态势；当停止一侧工作面的掘进后，微震能量快速回落；而在贯通阶段，随着贯通距离的缩短，在贯通距离不足80 m后，微震能量又快速增加，直至贯通结束。其中巷道贯通阶段每天平均能量为1.50×105J，为平时掘进期间的1.5倍。整个巷道掘进阶段，能量在5次方以上的微震事件共有8次，其中贯通阶段就达到5次，可见巷道贯通期间仍是冲击危险较高的时期之一。

图3 贯通阶段微震分布Fig.3 Microseismic distribution in the run-through stage

3.1.2 钻屑法监测

钻屑法监测参照前述正常掘进期间的钻屑法施工方法。当贯通距离大于40 m时，迎头和靠迎头30 m范围内区域，采用钻屑法每天监测一遍；当贯通距离不足40 m时，对迎头和靠迎头30 m范围内区域，要每班进行钻屑法监测。当微震监测出现中等冲击危险时，应立即进行钻屑法验证，确认无危险时，方可生产。在21306机巷贯通期间，针对在迎头的6 次钻屑法监测孔的每米煤粉量和钻进距离进行分析，并绘制趋势曲线，如图4所示。孔深1～4 m时，21306工作面钻屑量临界值为1.88 kg/m；孔深5～10 m时，钻屑量临界值为3.1 kg/m。从图4中可以看出，贯通期间监测中迎头的煤粉量平均为2.07 kg/m，掘进迎头3～5 m区间的煤粉量最大，在煤柱一侧煤粉量最大的区域为5～8 m区间，并出现过一次超标情况，当班进行了卸压处理。

图4 迎头钻屑量统计曲线Fig.4 Statistical curve of head-on cuttings

3.2 冲击地压卸压方法

3.2.1 迎头卸压

贯通距离大于40 m时，迎头卸压方式在正常掘进期间的卸压基础上进行调整，迎头施工7个大孔径钻孔，上三下四布置，孔深20 m。当掘进迎头至卸压孔底部距离小于10 m时，按照上四下三方式补打下一轮钻孔，如此循环，如图5所示。当贯通距离小于40 m时，延长钻孔深度，采用大直径长钻孔卸压，深度增至40 m，以穿透贯通区域为宜。此后每掘进10 m，补打下一轮钻孔。

图5 掘进迎头卸压钻孔布置示意Fig.5 Drilling arrangement for head-on pressure relief

3.2.2 两帮卸压

贯通距离大于40 m时，在21306中段巷道两帮施工大孔径卸压钻孔，滞后迎头最小距离不超过10 m。钻孔直径φ133 mm，钻孔深度15 m，封孔长度2 m，钻孔高度1.2 m，两帮钻孔间距均为1.6 m，如图6所示。21306里段两帮未卸压区域应补齐大孔径钻孔。当贯通距离小于40 m时，21306中段两帮继续施工大孔径钻孔，并跟紧近头。21306里段迎头位置处应禁止人员进入。

图6 巷道帮部卸压钻孔示意Fig.6 Pressure relief drilling of roadway side

3.2.3 底板大孔径卸压

21306机巷贯通期间底板卸压方式为：在煤柱一侧的帮部底角处，按间距1.6 m，垂直于煤帮斜向下60°施工，卸压孔深度施工至煤层底板，孔径φ133 mm，距离迎头不超过10 m。迎头后方已掘巷道按照大孔径钻孔布置方式，逐步补齐底板大孔径卸压钻孔。钻孔布置如图7所示。

图7 底板卸压钻孔位置示意Fig.7 Pressure relief drilling of roadway floor

3.3 贯通期间其他措施

贯通阶段，停掘区域禁止人员进入，并设立防护栅栏。凡是进入贯通区域的工作人员必须穿戴防冲帽和防冲背心。贯通区域迎头后方60 m范围内，物料和设备必须生根捆绑。贯通区域必须加强支护，采用锚网索支护时，锚索要加密。严格控制掘进速度，最大掘进速度控制在8 m/d以下。

3.4 防治效果

尽管在沿空巷道贯通期间，微震能量均增加明显，但由于提前采取了预卸压措施，并降低了掘进速度。最终实现了21306机巷的安全贯通，未发生一起冲击地压显现，完成了矿井的生产任务。

4 结语

对于崔木煤矿21306工作面机巷，一是巷道临近采空区，受侧向支承压力的作用；二是在掘进工作面将要贯通阶段，受两侧超前支承压力的叠加影响。2种情况造成21306机巷贯通期间的强冲击危险性。在该阶段，首先通过微震和钻屑进行冲击危险监测预警，对发现的危险及时进行处理，同时在贯通期间提前采取防治措施，针对迎头前方、巷道两帮和巷道底板分别采取大孔径卸压措施，尤其是迎头区域施工超深大孔径钻孔。通过实施上述措施，有效地降低了21306机巷贯通期间的冲击危险，该巷道安全顺利贯通，为整个矿井的安全生产提供了技术保障。