郭光輝，孫衍興，景勇鵬

(陜西永隴能源開發(fā)建設有限公司，陜西 寶雞 721000)

0 引言

陜西永隴能源開發(fā)建設有限公司礦井設計生產能力400萬t/a，立井開采。布置3條井筒，即主立井、副立井、回風立井。全井田按煤層劃分7個盤區(qū)，盤區(qū)開采先后順序為：21盤區(qū)、22盤區(qū)、23盤區(qū)、11盤區(qū)、24盤區(qū)、25盤區(qū)、26盤區(qū)。先期開采21盤區(qū)，工作面采用后退式回采。天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部2016年8月編制的《崔木礦井沖擊危險性評價》報告結果顯示：永隴公司崔木煤礦在開采期間的整體沖擊危險等級為中等沖擊危險，沖擊地壓的發(fā)生以煤巖層積聚的靜載荷為主要力源，主要包括煤巖沖擊傾向性、采深、構造、煤柱等影響因素。而動載荷的影響因素中，高強度開采擾動和厚層頂板活動是促進動載荷產生的重要因素，易誘發(fā)沖擊。崔木煤礦礦井平面布置如圖1所示。

圖1 崔木煤礦礦井平面布置Fig.1 Plan layout of Cuimu Coal Mine

1 巷道布置及周邊關系

22311工作面位于井田22盤區(qū)，地面主要為山地、植被土質、道路、村莊居民地等地貌，地面標高約+1 285～+1 441 m；煤層底板起止標高約為+614～+791 m，工作面設計走向長1 211 m(切眼至設計收作線)，平均傾向寬約200 m，全煤平均厚度13.8 m，可采儲量392.0萬t。22311工作面西部靠近無煤邊界，東部靠近北翼輔運大巷，初步設計預留約250 m大巷保護煤柱，22311工作面運輸機巷側和回風巷側均為實體煤區(qū)域。設計停采線距北翼輔運大巷250 m。機巷距22307工作面最小距離400 m，距22304工作面最小距離550 m。22311工作面機巷安全通道在22311工作面機巷外側，其中機巷安全通道三段距22311工作面切眼1 000 m，為22311工作面最低點，為防止工作面突水堵塞巷道而設計的逃生安全通道。22311機巷安全通道一段長28.2 m，二段長126 m，三段長14.8 m，巷道為矩形斷面。工作面周邊開拓開采情況如圖2所示。工作面機巷安全通道設計開采區(qū)域如圖3所示。

圖2 工作面周邊開拓開采情況Fig.2 Exploitation and mining around the working face

圖3 22311工作面機巷安全通道設計開采區(qū)域Fig.3 Design mining area of belt conveyor roadway safety passage of 22311 working face

22311機巷安全通道：自E點施工28.2 m至F點，隨后施工126 m至G點，再施工14.8 m至H點與機巷貫通。

2 大直徑鉆孔預卸壓方案

2.1 常規(guī)卸壓設計

根據(jù)經驗，機巷安全通道大直徑卸壓鉆孔一般設計為：兩幫每隔 1±0.1 m各實施一個大直徑鉆孔，孔徑不小于150 mm，孔深30 m，距底板0.5～1.5 m，鉆孔垂直于煤幫并沿煤層傾向，滯后迎頭不超過10 m。迎頭“三花”布置大直徑鉆孔，左右兩側孔間距為1.2 m，卸壓鉆孔(高孔)距巷道巷底高度1.5 m，卸壓鉆孔(低孔)距巷道底板高度為0.5～1.2 m，孔深不小于35 m。工作面迎頭始終保持卸壓保護帶寬度不小于8 m，當卸壓孔距離迎頭超規(guī)定距離時必須停止迎頭掘進，待卸壓完成后方可掘進施工。常規(guī)卸壓方式如圖4所示。

圖4 常規(guī)卸壓方式Fig.4 Conventional pressure relief mode

針對掘進期間底煤厚度超過1 m的區(qū)域還要采取底板大直徑鉆孔卸壓處理。

鉆孔斷底，孔徑不小于150 mm，間距1 m，終孔施工至煤層底板(見巖停)。巷道底角垂直于煤幫斜向下-45°施工，巷中垂直巷道底板向下沿走向-45°施工，滯后迎頭不超過20 m。卸壓鉆孔布置如圖5所示。

圖5 底板大直徑鉆孔布置Fig.5 Layout of large diameter drilling holes on floor

2.2 創(chuàng)新卸壓設計

根據(jù)安全通道寬度較小(2.2 m，僅為正常掘進寬度的一半)，鉆機進入后影響掘進行的運輸，大孔徑鉆孔施工困難，距離311機巷較近(9 m)的特點，對22311機巷安全通道的大直徑卸壓鉆孔施工進行了創(chuàng)新設計。在22311工作面運輸機巷副幫每隔1±0.1 m實施一個大直徑鉆孔，鉆孔孔徑不小于150 mm，孔深40 m，距底板0.5～1.5 m，鉆孔垂直于煤幫并沿煤層傾向，鉆孔超前掘進頭30 m施工，由于大直徑卸壓孔超前掘進面的貫穿式施工，使22311機巷安全通道始終處于卸壓孔施工后的應力降低區(qū)，從而達到用超前橫向卸壓孔替代掘進巷道迎頭和兩幫的預卸壓鉆孔和斷底卸壓孔的目的，創(chuàng)新卸壓方式如圖6所示。創(chuàng)新的卸壓設計通過一次卸壓措施的施工，既削弱了掘進頭前后兩處的應力集中，又消除了卸壓鉆孔施工對掘進進尺的影響，實現(xiàn)了安全快速掘進。

圖6 創(chuàng)新卸壓方式Fig.6 Innovative pressure relief mode

3 卸壓效果分析

目前22311機巷安全通道已經按照新設計的卸壓鉆孔方案，完成了超前大直徑卸壓鉆孔施工和機巷安全通道掘進施工。通過22311工作面已經安裝的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)、KJ21應力在線監(jiān)測系統(tǒng)及鉆粉監(jiān)測數(shù)據(jù)，CT反演數(shù)據(jù)分別對安全通道掘進期間的卸壓效果進行了分析。

3.1 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

永隴公司崔木煤礦已安裝運行了22311工作面的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)為波蘭礦山研究總院研發(fā)，可實現(xiàn)對礦井包括沖擊地壓在內的礦震信號進行遠距離(最大10 km)、實時、動態(tài)、自動監(jiān)測，給出沖擊地壓等礦震信號的完全波形。通過分析研究，可準確計算出能量大于100 J的震動及沖擊地壓發(fā)生的時間、能量及空間三維坐標，并將定位結果顯示在礦區(qū)平面示意圖上，利用這些寶貴信息源對礦井沖擊地壓危險程度進行評價。微震監(jiān)測系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 微震監(jiān)測系統(tǒng)Fig.7 Microseismic monitoring system

根據(jù)微震數(shù)據(jù)查詢結果，機巷安全通道施工近一個月的時間內，施工區(qū)域共監(jiān)測到49次有效震動，以小能量事件為主，最大能量為5.45E+03J。

雖然安全通道掘進期間掘進區(qū)域內出現(xiàn)了不少小能量事件，但由于安全通道掘進區(qū)域提前施工卸壓鉆孔，施工區(qū)域內應力向施工區(qū)域兩側及煤體深部轉移，因此安全通道掘進施工期間，施工區(qū)域未出現(xiàn)微震事件集中分布現(xiàn)象，且出現(xiàn)了微震事件集中分布于安全通道開口以外的巷道與向斜軸交叉區(qū)域的“反?！爆F(xiàn)象，主要原因是該處受地質構造影響，原巖應力集中程度較高，在巷道掘進和卸壓鉆孔施工的雙重影響下，原巖應力與采動應力、卸壓轉移應力疊加產生了較為集中的微震活動，“反?！蔽⒄鸺蟹植己蛻姓f明了通過掘進區(qū)域超前卸壓孔的施工，使掘進迎頭一直處于低應力卸壓保護帶內,卸壓效果顯著。

3.2 應力在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

沖擊地壓應力在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于“當量鉆屑法”的基本原理和“多因素耦合的沖擊地壓危險性確定方法”研制的能夠實現(xiàn)準確連續(xù)監(jiān)測和實時報警沖擊地壓危險性和危險程度的監(jiān)測系統(tǒng)。即：在有沖擊地壓危險的區(qū)域，且應力達到煤體破壞極限時，才有可能發(fā)生沖擊地壓，而此時鉆屑量將超過額定的安全指標。因此，通過研究、監(jiān)測確定應力增量的變化規(guī)律與鉆屑量之間的關系，通過監(jiān)測應力增量的變化規(guī)律便可間接得到鉆屑量值，實現(xiàn)利用鉆孔應力測量代替鉆屑量作為主要的監(jiān)測指標。沖擊地壓實時監(jiān)測預警系統(tǒng)結構如圖8所示。

圖8 沖擊地壓實時監(jiān)測預警系統(tǒng)結構Fig.8 Structure of real-time monitoring and early warning system for rock burst

沖擊地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)既可以用來監(jiān)測掘進巷道煤體中的應力，也可以通過應力計應力的變化情況進行卸壓效果檢驗。監(jiān)測系統(tǒng)自動讀取壓力數(shù)據(jù)，并實時傳輸?shù)降孛婵刂剖?，顯示沖擊危險性云圖。也可以采用數(shù)據(jù)處理軟件處理各應力計的數(shù)據(jù)，作為評價沖擊地壓危險性的依據(jù)。

22311機巷安全通道掘進巷道迎頭后方監(jiān)測范圍為150 m，應力傳感器位置距底板0.5～1.5 m，2個1組，組間距20 m，組內間距2 m。傳感器初設值為5 MPa。在線監(jiān)測迎頭后方應力變化動態(tài)，對沖擊地壓危險區(qū)和危險程度進行實時監(jiān)測預報預警。因機巷安全通道工作面?zhèn)让褐穸?9 m)小于應力計厚度，因此機巷安全通道在背離22311工作面?zhèn)劝惭b，孔深為8 m和14 m這2種。

從22311機巷掘進期間區(qū)域內應力變化曲線可以看出，安全通道掘進期間應力數(shù)據(jù)平穩(wěn)，無明顯上升趨勢且未出現(xiàn)應力超標現(xiàn)象。證明安全通道掘進期間無應力集中區(qū)域。

通過22311安全通道掘進期間微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、應力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可以證明安全通道掘進期間所采取的超前卸壓鉆孔效果明顯。

3.3 鉆粉監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

鉆屑法可對采掘過程中的煤體靜載變化進行監(jiān)測。根據(jù)危險區(qū)域劃分結果，對危險區(qū)域采取鉆屑法進行重點監(jiān)測，根據(jù)不同的危險等級，制定監(jiān)測手段的實施方案、實施頻率等。下面為鉆屑法在22311機巷安全通道掘進期間的方案實施說明。

掘進工作面迎頭鉆孔布置：掘進工作面迎頭應保證每10～20 m2布置一個鉆孔，鉆孔個數(shù)應不少于2個，且監(jiān)測頻率要始終滿足掘進工作面迎頭具有不小于5 m的超前監(jiān)測距離。掘進工作面兩幫鉆孔布置：掘進工作面后方至少60 m區(qū)域，鉆屑鉆孔深度設計為不小于13 m，鉆孔方向與煤壁垂直，平行于煤層，距底板0.5～1.5 m，孔徑42 mm。鉆孔間距不大于10 m，監(jiān)測間隔時間為1 d，工作面鉆粉檢測及22311機巷安全通道鉆粉監(jiān)測曲線見表1及如圖9所示。

圖9 22311機巷安全通道鉆粉監(jiān)測曲線Fig.9 Monitoring curve of drillings for 22311 belt conveyor roadway safety passage

22311機巷安全通道掘進期間未出現(xiàn)鉆粉量超預警值現(xiàn)象，鉆粉孔施工期間沒有異常動力現(xiàn)象，再次佐證了22311機巷掘進期間沒有應力集中區(qū)域。

3.4 CT反演數(shù)據(jù)情況

CT反演就是在微震監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上利用檢波器對微震活動進行監(jiān)測，根據(jù)檢波器與震源之間的距離L和初至走時T來反演波速分布V(x，y，z)。根據(jù)應力集中區(qū)域波速高的原理，找出應力集中區(qū)域。

表1 工作面鉆粉檢測報表

(1)

(2)

(3)

4 結語

(1)通過微震、應力、鉆粉和CT反演數(shù)據(jù)分析可以得出對22311機巷安全通道的卸壓工程使應力轉移至周邊及煤體深部，雖然該卸壓方式不常用，但達到了與常規(guī)卸壓方式的相同的卸壓效果。卸壓方式實施后煤體應力除了向深部轉移外也向施工區(qū)域兩側進行轉移，轉移的原因需要進一步分析研究。

(2)該卸壓方式打破了常規(guī)的卸壓鉆孔施工，尚未見到類似的卸壓方式，卸壓效果達到設計目的，而為小煤柱(9 m)特殊區(qū)域的卸壓可通過加長鉆孔深度方式，鉆孔施工為卸壓鉆孔的設計提供更寬廣的思路。

(3)可利用千米定向鉆機對未開采區(qū)域實施超前預卸壓，除了垂直于巷道走向布置也可以嘗試平行于巷道走向布置，在卸壓設計實施后通過對多參量防沖監(jiān)測數(shù)據(jù)分析調整卸壓鉆孔設計，最終達到最優(yōu)卸壓效果。