工程缺陷法防治回采巷道冲击地压技术研究

2020-03-18张旭东

山西能源学院学报 2020年1期

张旭东

【摘要】针对深部矿井巷道受冲击地压影响危险性高的问题，本文以1315工作面为研究对象，提出了通过人为制造缺陷，降低甚至消除巷道冲击地压发生的能量源，达到防冲目的。根据工作面地质条件，将两顺槽掘进和回采期间分别划分4个和6个危险区域。提出采用煤层爆破和注水的工程缺陷防治冲击地压，通过钻孔应力计监测卸压后压力值可知，工程缺陷法卸压取得了良好效果，为类似条件冲击地压防治提供借鉴。

【关键词】冲击地压;工程缺陷;危险区域;煤层注水

【中图分类号】 TD324 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）01-0004-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

冲击地压是一种常见的矿山动力灾害，特别是随着我国煤矿逐步进入深部开采，地质条件、开采条件等越发复杂，面临的冲击地压问题日趋严重。近年来，由于国内外学者对于冲击地压的研究取得较大的进展，如一体化震动监测系统、高精度微震监测系统和缺陷法冲击地压防治技术等，对冲击地压的监测和防控具有重要意义。但是由于开采深度的增加和地质条件的复杂，导致工作面回采后煤岩体积聚的能量高，造成冲击地压的防治仍然是一项难题。本文提出通过采用缺陷法防治冲击地压，降低甚至消除巷道冲击地压发生的能量源，达到防冲目的，提高巷道的稳定性。

1 工作面概况

1315工作面位于某矿东翼深部采区，埋深约750m～1035m。主采3下煤层，厚度为2.2～4.5m，平均倾角12°。直接顶为厚0～2m砂质泥岩，基本顶为厚10m中砂岩，直接底为厚2m砂质泥岩，基本底为厚16m细砂岩，柱状图如图1所示。根据实验测得3下煤层具有弱冲击倾向性。

2 工程缺陷法防治冲击地压机理

工程缺陷法防治冲击地压是通过人为制造缺陷，改变煤岩层的变形破坏形态、应力集中程度、冲击能量积聚和释放特征，进而使冲击能量在有效的时间和空间范围内得以连续、均衡、缓慢地释放和耗散，防止了冲击地压的发生。

对于冲击煤层特别是深部条件下开采过程中出现了冲击显现的区域存在应力集中和能量积聚，具备了发生冲击地压的条件，在该区域进行巷道的掘进面临着冲击地压的威胁，需要预先进行卸压，但卸压的实施又不能造成巷道掘进、支护的困难和非连续性，因此采用制造工程内缺陷的方法，达到既能保障巷道的正常掘进与支护，又能控制巷道掘进和支护期间冲击地压的发生。这种从外形上看没有明显人工缺陷，但在煤岩体内部形成工程缺陷的施工技术称为工程内缺陷技术，其中最为典型的内缺陷技术措施为煤层注水扩隙和爆破增裂。

煤层注水可以改变冲击煤岩体的物性场：促使原有裂隙的扩胀及贯通，增大裂隙密度，用水充填了原有裂隙空间，破坏了煤体内基质颗粒之间的胶结物的结构和完整性，减小了胶结物之间的摩擦系数，提高了煤体黏性趋势、降低了煤体的脆性特征。

煤岩层爆破措施可以促使原有裂隙的扩胀及贯通，增加新裂隙，提高裂隙密度。

注水扩隙和爆破增裂能够降低服务巷道高应力区域煤岩体的强度、改变其变形破坏特征、提高其裂隙密度，促使高应力的转移，降低甚至消除了巷道冲击地压发生的力源。

应力的转移带动能量的传递，同时裂隙的扩展、贯通和增加释放了部分能量，显著降低了巷道围岩的能量梯度，降低甚至消除了巷道冲击地压发生的能量源。

注水扩隙和爆破增裂扩展和贯通了原有裂隙的同时增加了新的裂隙，增加了巷道围岩破碎区域和塑性破坏区的长度，提供了裂隙密度，大大增大了巷道阻抗冲击地压发生的能力。

3回采巷道冲击地压危险区域

3.1掘进期间危险区域

1315工作面顶板岩层主要为f>5.5的细砂岩、粉砂岩，工作面回采后易形成悬顶，积聚能量，当基本顶断裂释放巨大的能力时，会诱发冲击地压。

1315工作面掘进期间共划分了4个冲击危险区域。其中，弱冲击危险区域3个;中等冲击危险区域1个，如表1所示。

3.2回采期间危险区域

1315工作面回采期间共划分了6个冲击危险区域。其中，弱冲击危险区域4个;中等冲击危险区域2个，如表2所示。

4工程实践

根据工程缺陷防治机理和方法的分析，采用高压注水扩隙和密集爆破增裂耦合的内缺陷技术进行该区域冲击地压的防治。1315工作面采用密集爆破卸压，增加新的裂隙，进行高压注水，增大原有裂隙的扩展和发育，防治冲击地压。

4.1煤层爆破

1315工作面两顺槽掘进后采用钻屑法监测到煤粉量超标后，立即进行“巷道掘进端头扇面循环爆破”，钻孔爆破示意图如图2所示。

工作面顺槽迎头安排3个爆破孔，孔深度8.0m，孔间距1.0m，孔径Φ42mm，钻孔距离底板1.2m。

4.2煤层注水

1315工作面回采前，在两顺槽施工钻孔进行高压注水，超前采面注水距离不小于200m，在轨道布置6个注水钻场;胶带顺槽布置10个注水钻场，注水压力8～10MPa，注水参数如表3、表4所示。

5效果检验

1315工作面采用工程缺陷防治冲击地压后，冲击能量大幅度降低，高能级已被人工缺陷耗散并转化为低能级冲击地压，能量被控制并缓慢消除。为检验防治效果，通过安装应立计在线监测，观测该区域回采時静态和在动压影响下的应力变化情况，在工作面轨道顺槽距离冲击危险区域外50m处布置第一个钻孔应力计，向回采方向每隔30m布置一台，监测结果如图3所示。

由图2可知，轨道顺槽靠煤壁侧压力值随着工作面的开采，逐渐趋于平稳状态，且压力值始终小于4.5MPa，位于安全范围值之内，可见工程缺陷防治冲击地压取得了良好效果。

6结论

本文以1315工作面为研究对象，提出了通过人为制造缺陷，采用煤层注水扩隙和爆破增裂的方式，改变煤岩层的变形破坏形态、应力集中程度、冲击能量积聚和释放特征，降低甚至消除了巷道冲击地压发生的能量源，达到防治冲击地压的目的。

根据1315工作地质条件，受端侧、初压、见方等影响，两顺槽掘进和回采期间分别划分了4个和6个危险区域。根据划分的危险区域，提出采用工程缺陷煤层爆破和注水的方法防治冲击地压，并设计了施工参数。

两顺槽采用爆破和注水卸压后，采用钻孔应力计监测应力状况验证卸压效果，根据监测结果可知，压力值始终小于4.5MPa，工程缺陷法卸压在1315工作面取得良好效果。

【参考文献】

[1]吕大钊，亢晓涛，聂书遥.冲击地压煤层大型构造区巷道掘进防冲技术研究与应用[J].煤矿现代化，2019（6）：46-48，51.

[2]王福军，李先志.老虎台矿高应力煤柱区巷道掘进冲击地压防治技术[J].煤矿安全，2018，49（9）：122-123，127.

[3]王博，魏宏超.冲击地压超前卸压钻孔技术在高家堡矿的研究与应用[J].能源与环保，2018，40（6）：44-47.

[4]张瑞玺.开滦矿区深部煤层冲击地压监测与防治体系研究[D].北京：中国矿业大学，2015.

[5]姜耀东，潘一山，姜福兴，等.我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治[J].煤炭学报，2014，39（2）：205-213.

[6]潘立友，张若祥，孔繁鹏.基于缺陷法孤岛工作面冲击地压防治技术研究[J].煤炭科学技术，2013，41（6）：14-16，45.