馬宏源，潘俊鋒，席國軍，焦彪，劉少虹，鄔建宏

（1.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000）

0 引言

近年來，隨著開采深度增加，開采強度不斷提高，沖擊地壓問題日益凸顯，嚴重威脅礦井安全生產[1-3]。目前，單一雙巷布置難以滿足礦井生產需求，為解決通風、排水等問題，許多礦井采用多巷布置，但多巷布置易形成交叉區(qū)域，煤巖體受載程度較高，靜載荷孕育充足，煤巖體破碎程度較高，煤巖體完整性、承載能力遭到破壞，加上堅硬頂板懸頂及突然垮斷產生的動靜載荷影響，導致沖擊危險性增高，不利于礦井安全生產[4-5]。

針對多巷布置條件，許多學者進行了研究。卜慶為等[6]建立了交錯巷道間圍巖穩(wěn)定性分析判別方程，探討了交錯巷道間圍巖穩(wěn)定性主要影響因素。孫光中等[7]利用數值模擬方法，分析了不同煤柱寬度條件下采場側向支承壓力分布規(guī)律，研究了采場側向支承壓力對巷道群的影響。王光明等[8]對不同擾動強度作用下的巷道圍巖動態(tài)響應規(guī)律進行了研究，得到了靜-動加載下巷道群圍巖應力分布規(guī)律和損傷破壞情況。鄭兵亮[9]分析研究了巷道群圍巖變形破壞的機理、特征及加固措施。盧興利等[10]分析了巷道群圍巖及支護結構的變形開裂特征及失穩(wěn)機理。蘇學貴等[11]研究了受上覆采空區(qū)影響的下層煤應力分布規(guī)律及巷道群變形破壞機制，認為由于上覆采空區(qū)壓力釋放，導致煤柱下方巷道圍巖應力急劇升高。潘俊鋒等[12]分析了巷道群無動載誘發(fā)沖擊啟動的機理與防治方法，認為巷道群自身應力疊加在巷間煤柱，提供了基礎靜載荷，底煤及褶曲構造影響提供了時機靜載荷，兩者共同作用導致了沖擊啟動。劉宏軍[13]研究了采動影響下巷道群應力分布狀態(tài)，認為采動誘發(fā)下密集巷道群自身應力疊加是造成沖擊地壓的直接原因。史俊偉等[14]研究了巷道群圍巖變形規(guī)律，并對巷道群沖擊危險性進行了評價。但上述文獻側重于分析多巷圍巖穩(wěn)定性控制，針對多巷交叉區(qū)域沖擊地壓防治研究不夠。鑒此，本文以陜西彬長胡家河礦業(yè)有限公司401111 工作面回采末期為工程背景，對堅硬頂板強沖擊工作面條件下巷道沖擊危險性進行等級劃分，并對動靜載荷影響因素展開分析；根據沖擊地壓分源防治思想[15]，對危險區(qū)域制定卸壓防治措施，削弱頂板動載荷擾動影響、降低巷幫和底板靜載荷積聚程度，并利用巷道聯合支護提高圍巖承載能力，可為類似地質、開采條件下的多巷交叉布局防治沖擊地壓提供參考。

1 工程背景

胡家河礦井位于陜西省咸陽市西北部，井田東西長8.1 km，南北寬6.5 km，面積為52.70 km2，設計生產能力為500 萬t/a，礦井服務年限為69 a。開采4 號煤層，煤層埋深為578～817 m，賦存穩(wěn)定，煤層為近水平煤層，厚度為15.0～27.0 m，平均厚度約為24 m，經沖擊傾向性鑒定（表1），該煤層具有強沖擊傾向性。礦井共劃分為4 個盤區(qū)，目前主要開采的401 盤區(qū)西翼已經有4 個工作面回采完成，形成大面積采空區(qū)，正在回采的401111 工作面進入回采末期階段。401111 工作面東翼為401101 采空區(qū)，西翼為涇河保護煤柱區(qū)域，北翼為中央大巷保護煤柱，南翼為井田邊界保護煤柱，工作面設計可采長度1 607 m，傾向長180 m。

表1 4 號煤層沖擊傾向性鑒定結果Table 1 Rock burst tendency evaluation results of No.4 coal seam

401111 工作面平面及綜合地質柱狀圖分別如圖1、圖2 所示。目前，工作面回采至距終采線120 m處，即將推采至回風巷與區(qū)段煤柱內環(huán)形水倉交叉區(qū)域，401111 工作面留設230 m 大巷保護煤柱，煤柱內布設多條巷道，形成多巷交叉布局。由于煤層上方37 m 處存在厚度超過10 m 的粗粒砂巖堅硬頂板，易在采空區(qū)形成懸頂結構，大面積懸頂造成煤柱內積聚大量彈性能，基礎靜載荷水平較高，當頂板突然垮斷會釋放較大能量，產生劇烈動載擾動，由于多巷交叉區(qū)域受到動靜載荷疊加影響，極易誘發(fā)沖擊災害。

圖1 401111 工作面平面Fig.1 401111 working face plane

圖2 401111 工作面綜合地質柱狀圖Fig.2 Comprehensive geological histogram of 401111 working face

2 堅硬頂板工作面沖擊危險區(qū)域等級劃分

表2 沖擊危險等級劃分標準Table 2 Classification standard of rock burst hazard level

表3 401111 工作面回采末期巷道沖擊危險區(qū)域等級劃分Table 3 Classification of rock burst hazard area level of roadway at the end of mining in 401111 working face

3 堅硬頂板工作面沖擊危險性分析

沖擊破壞的發(fā)生與動靜載荷孕育程度有緊密聯系，因此首先對動靜載荷影響因素進行分析，并利用微震、地音、應力3 種監(jiān)測方法，對工作面回采期間動靜載荷孕育程度進行監(jiān)測，通過微震、地音活躍程度反映煤巖體破裂釋放動載荷情況，通過應力監(jiān)測數據反映煤巖體內靜載荷積聚程度。

3.1 動載荷分析及監(jiān)測

3.1.1 動載荷影響因素

401111 工作面回采過程中，由于煤層的采出，煤巖體原有應力平衡狀態(tài)被打破，且上覆巖層存在堅硬砂巖結構，回采過程中不易垮斷，容易形成懸頂區(qū)域，導致工作面處煤體壓縮破碎，形成塑性破壞區(qū)，引起支承壓力分布急劇改變并向前方煤柱轉移。由于煤柱內交叉布設大量巷道，容易形成高應力集中區(qū)，積聚大量彈性變形能，具有較高的基礎靜載荷，一旦懸頂突然垮斷，頂板內的彎曲彈性能轉換為動能，較高水平的基礎靜載荷受到動載荷的加載擾動，極易誘發(fā)沖擊事故?；仫L巷與環(huán)形水倉、回風聯絡巷、回風措施巷形成的多巷交叉區(qū)域大于運輸巷側多巷交叉區(qū)域，不僅受本工作面采空區(qū)上方頂板影響，還受到相鄰采空區(qū)側向頂板的作用，因此沖擊危險性高于運輸巷側多巷交叉區(qū)域。

3.1.2 微震監(jiān)測

微震事件統(tǒng)計情況如圖3 所示，三次方微震事件分布如圖4 所示。正?；夭善陂g微震事件共計531 個，末采期間微震事件802 個，相比前期升高51%，其中三次方微震事件升高52%。正?；夭蓞^(qū)域內無巷道交叉布置，三次方微震事件分布較分散。末采期間工作面兩巷與多條巷道形成交叉布局，在回采擾動條件下，三次方微震事件集中出現在多巷交叉區(qū)域，尤其是回風巷與環(huán)形水倉交叉區(qū)域處，三次方微震事件分布比運輸巷側多巷交叉區(qū)域更密集，形成應力集中區(qū)，導致沖擊危險性升高。

圖3 微震事件統(tǒng)計Fig.3 Microseismic events statistics

圖4 三次方微震事件分布Fig.4 Distribution of cubic microseismic events

3.1.3 地音監(jiān)測

通過地音監(jiān)測系統(tǒng)對小范圍內煤巖體破裂產生的動載荷進行監(jiān)測，地音監(jiān)測時序曲線如圖5 所示。在正常回采期間，地音時序曲線相對平穩(wěn)，微震能量和頻次變化幅度不大，平均能量維持在8.9×105J。在末采期間，推進至回風巷與環(huán)形水倉交叉區(qū)域時，煤巖體活動劇烈，釋放大量動載荷，地音活躍度明顯增強，微震總能量上升至4.6×106J，總頻次升高至7 076 次。

知識點的教學過程設計是課程設計的基礎和關鍵性工作。對于知識點的教學設計大致分為以下幾步：首先，確定知識點名稱及其在知識框架中的位置，明確知識點所需要達到的目的與要求。其次，思考如何對知識點進行導入，設計多少個PPT頁面對知識點進行不同層次的分析與展示，每個頁面內容所需要講解的要點。最后，從知識點介紹與導入、分析與闡述、鞏固與提升等方面，對在線視頻內容進行詳細設計，實現SPOC課程視頻的腳本設計[6]。

圖5 地音監(jiān)測時序曲線Fig.5 Time sequence curve of ground sound monitoring

3.2 靜載荷分析及監(jiān)測

3.2.1 靜載荷影響因素

（1）巷道交叉布局。401 盤區(qū)西翼除401111 工作面末采區(qū)域，其他工作面已全部回采結束，形成大面積采空區(qū)?；夭赡┢谟捎诒竟ぷ髅娌煽諈^(qū)和相鄰采空區(qū)影響，上覆巖層質量全部由煤柱承擔，回風巷側留設62 m 寬的區(qū)段煤柱與采空區(qū)相鄰，采空區(qū)形成后，巷道側向的區(qū)段煤柱結構發(fā)生顯著變化，由結構完整的彈性區(qū)轉變?yōu)椴糠炙苄詤^(qū)，強度和完整性遭到破壞，承載能力降低。作為采空區(qū)側向頂板主要承載區(qū)的區(qū)段煤柱受側向支承壓力影響，積聚大量彈性能，煤巖體活動較劇烈，破碎程度較高。由于煤柱內布置多條巷道，形成巷道交叉布局，巷道集中應力與采空區(qū)集中應力相互疊加，增加了圍巖應力與支承壓力的集中程度，形成高能量儲能空間，靜載荷孕育程度較充足，縮短了到達沖擊啟動點的路徑，誘發(fā)沖擊危險性升高。

（2）垂直應力。隨開采深度增加，煤層自重應力增加，煤巖體內積聚的彈性能也會增大。401111 工作面煤層埋深集中在600～700 m，超過沖擊地壓發(fā)生的臨界開采深度。由于埋深較大，導致垂直應力較高，作用在煤層上方的載荷積聚程度大幅升高，加上末采期間采掘擾動、周期來壓較強，引起煤巖體活躍度升高，在其內部產生裂紋擴展，進而出現局部破碎區(qū)域，承載能力有所降低。當作用在該區(qū)域的載荷大于其承載能力時，穩(wěn)定狀態(tài)將會被打破，尤其是末采期間煤柱內多巷交叉區(qū)域受垂直應力和開采擾動影響較大，引起沖擊危險性升高。

3.2.2 應力監(jiān)測

采用煤層內布置的應力計監(jiān)測應力變化情況，如圖6 所示。正常回采期間應力曲線變化平緩，應力峰值為8.3 MPa。末采期間由于工作面逐漸向巷道交叉區(qū)域推進，應力曲線呈顯著上升趨勢且波動較大，應力峰值達12.5 MPa，相比正?；夭善陂g應力峰值升高了50.6%。對比分析正?；夭善陂g與末采期間應力變化情況可知，末采期間圍巖應力水平顯著升高，在采動影響下，交叉區(qū)域受載程度高，易形成集中儲能空間，為沖擊災害發(fā)生提供了空間條件。

圖6 應力監(jiān)測曲線Fig.6 Stress monitoring curve

4 基于卸壓與聯合支護的防沖技術

4.1 動靜載荷源卸壓

根據對動靜載荷影響因素的分析，采用沖擊地壓分源防治思想：對堅硬頂板實施預裂爆破卸壓，減小周期來壓步距，削弱頂板垮斷產生的動載影響；對幫部、底板實施大孔徑鉆孔卸壓技術，為應力轉移及釋放提供卸壓通道，降低靜載荷積聚程度。預裂爆破孔和大孔徑鉆孔平面布置如圖7 所示。

圖7 預裂爆破孔和大孔徑鉆孔平面布置Fig.7 Layout of pre-split blasting hole and large-diameter borehole

4.1.1 動載荷源卸壓

煤層采出后，煤層上方的堅硬頂板易形成懸頂結構，若突然垮斷會向多巷交叉區(qū)域傳遞大量動載荷。為了削弱本工作面后方采空區(qū)懸頂及相鄰采空區(qū)側向懸頂突然產生的動載擾動影響，對頂板實施預裂爆破卸壓技術。根據頂板上覆巖層結構，確定頂板預裂爆破范圍及參數。工作面上方50 m 范圍內依次分布5.7 m 厚中粒砂巖、7.1 m 厚泥質粉砂巖、7.2 m 厚含礫粗砂巖和9.7 m 厚泥質粉砂巖，利用炸藥爆破對以上影響層位進行預裂，每組3 個預裂爆破孔，孔徑為75 mm，裝藥量為40 kg，使用串聯連線正向裝藥，采用導爆索+雷管+起爆器連接起爆，起爆間隔時間為30 min，每次爆破不得超過2 個孔。頂板預裂爆破孔布置如圖8 所示。

圖8 頂板預裂爆破孔布置Fig.8 Layout of roof pre-split blasting hole

4.1.2 靜載荷源卸壓

（1）幫部大孔徑鉆孔卸壓。煤柱幫部既是承載區(qū)又是傳遞載荷區(qū)域，當靜載荷積聚程度大于自身承載能力時，向底板傳遞載荷。為了減少幫部應力集中程度，對其實施大孔徑鉆孔卸壓，通過鉆孔周圍形成的卸壓帶，降低應力峰值，為應力轉移和釋放提供路徑。回風巷、回風聯絡巷及回風措施巷兩側幫部施工孔深25 m、孔徑133 mm、孔間距1 m、距巷道底板垂直距離1.5 m 的卸壓鉆孔；運輸巷及運輸措施巷為弱沖擊危險區(qū)域，因此孔間距調整為2 m，其他參數與回風巷側鉆孔參數保持一致。幫部大孔徑鉆孔布置如圖9 所示。

圖9 幫部大孔徑鉆孔布置Fig.9 Layout of large-diameter borehole in two sides

（2）底板大孔徑鉆孔卸壓。巷道底板承受幫部傳遞的巨大載荷，應力增大，發(fā)生變形破壞，容易出現底鼓現象，因此對底板實施大孔徑鉆孔卸壓，以減小載荷對底板的影響，維護底板穩(wěn)定狀態(tài)。回風巷、回風聯絡巷及回風措施巷底板施工孔深10 m、孔徑133 mm、孔間距1 m 的卸壓鉆孔；運輸巷及運輸措施巷具有弱沖擊危險性，因此孔間距調整為2 m，其他參數與回風巷側鉆孔參數相同。底板大孔徑鉆孔布置如圖10 所示。

圖10 底板大孔徑鉆孔布置Fig.10 Layout of large-diameter borehole in floor

4.2 巷道聯合支護

沖擊地壓的發(fā)生與煤巖體受載程度和自身抗沖擊能力有密切聯系。通過削弱深部圍巖靜載荷積聚和動載荷擾動，降低煤巖體受載程度，消除沖擊地壓發(fā)生的載荷條件；而通過巷道聯合支護則可改善淺部圍巖的完整性，提高煤巖體承載能力和強度，進而提升其阻礙沖擊能量傳遞的能力。因此，巷道頂板采用錨桿+鋼帶網與錨索聯合支護方式：錨桿采用φ22 mm×2 500 mm 無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿間排距為700 mm×800 mm，每排錨桿為8 根；鋼帶采用八孔W 型鋼帶，規(guī)格為5 100 mm×280 mm×3 mm（長×寬×高），孔間距為700 mm；錨索采用1×19 標準型-21.8-1860 型預應力鋼絞線，長度為7.1 m，間排距為1 300 mm×800 mm。巷道兩幫采用錨索+鋼筋梯網支護：采用φ15.24 mm×3 500 mm 鋼絞線錨索，兩幫每側每排布置5 根，網片采用8 號鍍鋅菱形鐵絲網，網片搭接100 mm。

5 效果檢驗

實施頂板預裂爆破和幫部、底板大孔徑鉆孔卸壓及聯合支護防沖技術后，利用微震監(jiān)測對沖擊地壓防治效果進行評價。防沖技術實施前后微震事件統(tǒng)計情況如圖11 所示。防沖技術實施后微震事件數量大幅降低，其中一次方微震事件降低33%，二次方微震事件降低24%，三次方微震事件降低33%，且沒有超過三次方的大能量微震事件出現。微震事件明顯減少，說明煤巖體破裂程度較低、活躍程度較低且完整性較好，防沖技術有效降低了多巷交叉區(qū)域的載荷積聚程度，減弱了堅硬頂板對該區(qū)域的動靜載荷擾動影響，保證了工作面回采安全性。

圖11 防沖技術實施前后微震事件統(tǒng)計Fig.11 Statistics of microseismic events before and after the implementation of rock burst prevention technology

6 結論

（1）煤柱內多巷交叉布置，導致煤柱受切割作用，形成高應力集中區(qū)，靜載荷積聚程度較高；采空區(qū)上覆堅硬頂板懸頂和垮斷為多巷交叉區(qū)域提供動靜載荷。根據微震、地音、應力監(jiān)測結果可知，末采期間多巷交叉區(qū)域煤巖體活躍程度較高，應力狀態(tài)較集中，多巷交叉區(qū)域沖擊危險性較高。

（2）采用沖擊地壓分源防治思想：針對易產生動載荷擾動的堅硬頂板，利用頂板預裂爆破卸壓技術，縮短頂板垮落步距，減小懸頂面積，削弱動載擾動影響；針對易受靜載荷加載影響的巷幫和底板，利用大孔徑鉆孔卸壓降低巷道幫部和底板靜載荷積聚程度。同時對巷道頂板實施錨桿+鋼帶網與錨索聯合支護方式，對兩幫采用錨索+鋼筋梯網支護方式，保證巷道圍巖承載能力及完整性，提高抗沖擊能力。

（3）實施頂板預裂爆破和幫部、底板大孔徑鉆孔卸壓和聯合支護防沖技術后，微震事件大幅減少，有效降低了多巷交叉區(qū)域的載荷積聚程度，減弱了堅硬頂板對該區(qū)域的動靜載荷擾動影響，保證了工作面回采安全性。