冲击危险巷道围岩变形监测及防治效果检验

朱 峰，刘相楠，胡宾鑫，付建伟，王公华，马 刚，张慧民

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)激光研究所，山东 济南 250014；2.兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司营盘壕煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017020；3.兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017020)

1 前言

随着我国经济实力的增长，城市用电和工业用电已成为城市建设和企业发展中不可替代的重要成分。尤其在企业用电中，大功率设备的运转离不开电力电缆的传输和支撑。在矿井开采过程中，电缆一般布置于工作面运输巷道中，工作面的回采将导致电缆巷道发生底鼓、片帮和冒顶等破坏，出现电缆漏电、绷断等电力事故，迫使回采中断，影响工作面的正常回采，甚至影响工人生命安全。在这种形式下，需加强对电缆巷道的监测和维护，保证巷道的完整性，从而进一步保证电缆不被破坏。安全事故调查结果表明，电缆巷道运行安全预警体系不完备和巷道维护不及时是事故发生的重要原因。

国内学者在电力电缆运行状态、温度等方面做过相应研究[1-2]，康红普院士对矿山巷道安全做出巨大贡献，保证了矿井电缆巷道安全[3-5]；其他学者从不同角度对矿山巷道安全进行了研究，并取得了不俗的成果[6-11]。本文以某矿井深部工作面为例，该矿井为冲击地压矿井，工作面回采需配备采煤机、液压支架和刮板输送机等大型设备，对于用电安全和要求甚是严格；采用“一进一回”的通风方式，电缆布置于运输巷道，如何确保工作面回采过程中电缆巷道的安全，保证电缆正常工作不被破坏，决定了工作面回采的效率，具有重要的经济效益和实用价值。

2 煤的冲击倾向性测定

工作面位于井田西部，处于-830m水平，走向长度870m，倾斜长度163.5m，煤厚平均为11.8m，煤层走向NE40°～80°，倾角15°～32°，采用走向长壁综合机械化放顶煤开采，自然垮落法控制顶板。工作面回采前对煤的冲击倾向性进行测定，为冲击地压监测预警和电缆隧道防护提供指导。

冲击倾向性视为煤岩的固有属性，其强弱一般可通过测定以下4个指标衡量：动态破坏时间DT、弹性能量指数WET、冲击能量指数KE和单轴抗压强度Rc。煤的冲击倾向性按其指数值判定分类，具体见表1。通过在现场采取煤样，在实验室测试煤的冲击倾向指数曲线如图1所示，测定结果见表2，综合评判工作面属于Ⅱ类煤层，即为弱冲击煤层。

在深部开采的影响下，弱冲击倾向煤层具有发生冲击地压的危险性，因此应加强电缆巷道围岩变形监测，实现即时预警的目的。

表1 煤的冲击倾向性分类

图1 冲击倾向测试图及弹性能指数曲线

表2 煤的冲击倾向性测定结果

3 电缆巷道围岩应力监测

3.1 监测方案

图2 电缆巷道围岩应力监测布置图

工作面开采前，在电缆巷道中布置4个监测断面，观测断面从距开切眼100m处开始布置，断面间距平均为200m，布置如图2所示，观测工作面开采过程中电缆巷道周围煤岩体受力破坏情况，及时对巷道变形和破坏进行防治，制定合理的卸压解危措施，以保障电缆巷道安全。

1)电缆巷道煤柱应力监测

通过在煤层中施工水平钻孔，如图3a所示，将GMC20应力传感器输送到钻孔深部进行耦合安装，传感器感知煤体受力情况，输出的信号通过二次仪表测量，对不同深度煤柱的应力分布情况进行判断，评价电缆巷道的稳定性。在每个监测断面布置3个不同深度的应力监测点，分别为5m、10m和15m，如图3b所示。

图3 煤柱应力监测安装示意图

2)电缆巷道围岩受力监测

通过监测锚杆(索)动态锚固力，实现对锚杆(索)受力大小及其变化过程跟踪监测，判定电缆巷道围岩稳定性。共布置4个监测断面，断面位置和煤柱应力监测断面一致，每个断面共安装4个锚杆(索)测力计，其中电缆巷道两帮各布置一根锚杆测力计，巷道顶板中间位置布置一根锚杆测力计和一根锚索测力计，具体如图4所示。

图4 围岩压力监测示意图

3.2 电缆巷道煤柱应力分析

随着工作面推进，电缆巷道断面一处监测应力升高比较明显，应力呈明显上升趋势，变化如图5所示。图中1#钻孔应力计从距离工作面51.5m起，煤柱应力迅速升高，从0.82MPa逐渐上升；当工作面推进至钻孔应力计位置时，煤柱应力高达13MPa；钻孔应力计超前工作面51.5m开始变化明显，工作面超前支承压力影响范围约52m。工作面推进至断面四煤柱时，钻孔应力计从距离工作面50m起，煤柱应力发生突变，有明显升高趋势；随着工作面推进，应力逐渐从4.3MPa上升，具体如图6所示；当工作面推进至钻孔应力计位置时，煤柱应力升高至4.8MPa，判定钻孔应力计超前工作面50m开始变化明显，工作面超前支承压力影响范围约50m。

因此，受采动影响，电缆巷道超前影响范围至少为50m，当钻孔应力计示数超过4.3MPa时，电缆巷道围岩承受较大压力，应及时卸压解危并加强支护。

图5 断面一煤柱应力变化趋势

图6 断面四煤柱应力变化趋势

3.3 锚杆(索)应力监测受力分析

随着工作面推进，断面一处锚杆测力计示数变化明显，工作面回采使巷道变形增加，挤压测力计使示数增大，具体如图7所示。锚杆测力计示数距离工作面60m开始逐渐升高，测力计示数一直增长至62kN，约增长20kN，增长速度明显加快，期间煤炮声频繁发生。说明围岩受工作面支承压力压力影响压力变化明显，确定电缆巷道超前支承压力范围为60m。

当工作面回采至距离断面三锚杆57m时，锚杆测力计示数变化明显，具体如图8所示，测力计示数从35kN迅速增长至93kN，增长了165.7%，围岩受力随回采影响逐渐上升至116kN，煤炮声频繁发生。电缆巷道受工作面开采影响超前支承压力范围为57m。

图7 断面一锚杆测力计示数变化

图8 断面三锚杆测力计示数变化

通过监测可知，电缆巷道受采动影响，超前影响范围约50～60m；在现场实际勘察过程中，钻孔应力或锚杆测力计示数发生突变时，巷道围岩变形较大，发生一定的底鼓变形，具有一定的冲击危险，对电缆完整性产生一定威胁，因此需对该区域降低或消除冲击危险，加强对电缆巷道超前支护，保证工作面的安全生产。

4 电缆巷道防护及效果检验

1)电缆巷道两帮卸压钻孔措施

受工作面采动影响，电缆巷道超前工作面50～60m变形较大，具有底鼓、煤岩冲击等危险。因此，超前工作面100m采取卸压钻孔对巷道两帮进行卸压解危，具体参数如下：钻孔直径108mm、间距0.5m、长度8～12m，钻孔距底板0.8～1.0m，垂直于巷帮施工，具体如图9所示。

图9 钻孔卸压布置示意图

2)电磁辐射效果检验

在工作面电缆巷道实施卸压解危措施前后，分别采用YDD16多通道煤岩动力灾害声电监测仪对工作面侧煤体电磁辐射强度进行监测，对比两者效果。根据矿上经验数据，若测得强度值E<300mV，脉冲数N<1 000Hz时，工作面恢复正常作业；若测得强度值E≥300mV，脉冲数N≥1 000Hz，则必须采取进一步的解危措施，直至解危措施有效后，工作面方可恢复正常作业。

卸压解危措施实施前，工作面煤体电磁辐射信号强度较强，卸压解危措施实施后，工作面煤体电磁辐射信号强度较弱，底板变形减小，电缆巷道冲击危险降低，保障了电缆巷道的完整性及工作面的安全回采。卸压前后电磁辐射探测强度如图10所示。

图10 卸压前后电磁辐射探测强度

5 结论

(1)测试了工作面煤层冲击倾向性，煤层具有弱冲击倾向性，为电缆巷道具备冲击危险奠定了自然基础条件。

(2)通过钻孔应力监测和锚杆(索)压力监测，在采动条件影响下，电缆巷道超前影响范围为50～60m，电缆巷道发生严重底鼓变形，存在较大的冲击危险。

(3)制定了电缆巷道冲击危险区域卸压解危措施，确定了钻孔卸压措施参数。电磁辐射监测效果表明，钻孔卸压措施实施前后，卸压效果显著，底板变形较小，冲击危险性降低，保障了电缆巷道的安全。