高地应力条件下巷道掘进技术研究成果

李延伟

（冀中能源邯郸矿业集团有限公司，河北邯郸 056000）

1.造成巷道地应力较高的因素

（1）巷道与井下四邻及地表的关系：巷道地表地形主要为黄土山坡，大部分被第四系黄土覆盖，植被较少，地面标高为+1112～+1227m。巷道东部为8106工作面回风顺槽，北部为8号煤层三条上山，西部、南部均为未采动地区，工作面的底板标高为+841m～+860m，工作面距地表的垂深约255m～337m。工作面距上部5号煤层约50m～60m，且巷道布置在5号煤层相邻两个工作面采空区的煤柱下方，5号煤层地应力向下方传递，造成巷道掘进期间地应力较高。

（2）井田总体为一轴向呈北北东向的宽缓对称的向斜构造，随着回采工作面自上而下依次布置，8106运输顺槽靠近矿井向斜构造轴部，受向斜地质构造的影响致使巷道地应力较大。

（3）8号煤层成煤于石炭系上统太原组，含1～2层夹矸。煤层平均厚度6m。该煤层为黑色，条痕为黑褐色，玻璃光泽，均一状—条带状结构，块状—层状构造，硬度中等，贝壳状断口，宏观煤岩类型为光亮型—半亮型煤。8106运输顺槽掘进过程中，8号煤层夹矸较厚约1.5m，将煤层上下隔离，夹矸易风化膨胀、破碎、不易支护，造成巷道局部围岩压力较大。

（4）8号煤层与井田内5号煤层相比煤质较为酥软，煤层节理较为发育，容易发生片帮掉渣情况，造成巷道成型不好，影响支护效果。

（5）邀请天地科技股份有限公司对地应力进行测试。采用水压致裂法进行地应力测量，采用钻孔触探法进行顶板以上10m范围内和对应的煤帮10m范围内的煤岩体强度测试，采用孔壁观察法进行顶板岩层分布情况和结构观测。在已掘巷道中有选择性的布置三组测点，每个测点布置两个测孔，钻孔直径均为58mm。顶孔深度20m左右，铅垂布置；煤帮孔深度10m左右，要求与水平方向有3°～5°仰角，使水能顺利流出，避免水的润湿作用影响煤体强度的测试结果，顶板钻孔施工完毕，用水把孔壁冲洗干净，避免残留岩屑对测试段选取的影响。

通过对井下地质力学原位测试，并对测试数据进行整理、综合和分析，得出如下结论：

1）地应力测试结果表明：测试区域8106运输顺槽中三组测点的最大水平主应力平均值为17.36MPa，最小水平主应力平均值为8.27MPa，垂直主应力平均值为7.25MPa。地应力场在量值上属于低等应力值区域，井下地应力场类型为δH＞δh＞δv型应力场。相关研究表明，最大水平主应力对巷道的顶底板影响作用大于对巷道两帮的影响；垂直应力主要影响巷道两帮的受力和变形，构造应力为最大主应力，8号煤层最大水平主应力最大值为14.48MPa，地应力场最大水平主应力优势方向为NWW方向。

鉴于8106运巷实际掘进方向，可确定巷道轴向与最佳轴向相差角度较大，可初步确定巷道掘进方向右侧顶板易产生应力集中。巷道主应力差值较大，会导致围岩中出现拉应力区和较大的剪切应力，产生拉破坏与剪切破坏。

2）三组测点所在巷道所处层位相同，均处于8号煤层中，根据测试结果可知三组测点顶孔 10m范围内与锚杆支护直接相关的煤岩体岩性主要为8号煤、石灰岩和泥岩。顶板岩层浅部存在多处裂隙，完整性相对较差，顶孔深部岩体完整性较好，巷帮煤体完整性较好。

3）三组测点围岩强度测试结果表明，8号煤层强度主要集中在12MPa～18MPa，石灰岩岩层强度均大于120MPa，泥岩强度主要集中45MPa～70MPa左右。

（6）巷道断面及原有支护强度不够。8106运输顺槽巷道采用矩形断面，规格为宽×高=4.8m×3.1m，锚网索支护方式。顶锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格φ20×2200mm；钢筋梁采用φ14mm的圆钢焊接成，规格4600×80mm；锚索采用φ17.8×9000mm的钢绞线，四趟均匀布置；两帮锚杆采用圆钢锚杆（头部扁状、左旋），规格φ16×1800mm；顶网、帮网均采用双层网，即：里层为双抗聚丙烯网，外层为10号铁丝制做而成的金属网，网格孔距为50×50mm。

巷宽跨度较大，且原有支护方式不能有效控制巷道顶板压及两帮压力，需优化巷道断面及支护参数。

2.高地应力条件给生产带来的影响

（1）受高地应力条件影响，巷道掘进过程中出现响炮声。响炮声不仅出现在巷道迎头四周，而且还出现在巷道后路。并且随着施工进度的加快，响炮声愈加频繁，响声越大。响炮声产生的震动使巷道局部顶帮煤岩松动，片帮掉渣，影响施工人员安全。

（2）高地应力造成巷道局部压力大，围岩变形严重，锚杆、锚索发生断裂失效的情况。加之响炮声产生的震动造成顶部及两帮锚杆松动、失效、断裂等，给安全带来了极大的隐患。

（3）高地应力条件使得原有支护方式已不能对巷道进行有效支护，必须提高支护强度，这样一来对施工进度影响较大。

（4）高地应力造成的响炮声、锚杆锚索断裂、片帮掉渣、巷道变形等情况，严重影响职工的工作情绪。造成职工情绪紧张、出勤率底，严重影响正常施工组织。

3.采取的措施

高地应力条件下施工应解决的问题：优化支护断面、提高支护强度、释放地应力，消除响炮声、缩小循环进尺、完善监测监控手段。具体措施如下：

（1）根据地应力测试结果优化巷道断面及支护参数。

8106运输顺槽巷道采用矩形断面，规格为宽×高=4.6×3.1m，锚网索支护方式，加套工字钢。

顶、帮锚杆均采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格φ20×2200mm；钢筋梁采用φ14mm的圆钢焊接成，规格4400×80mm；锚索采用φ21.6×9000mm的钢绞线，三趟均匀布置，锚索下压3.6m长的W钢带；巷道两帮各安装三排帮锚索，锚索采用φ21.6×5000mm的钢绞线，帮锚索下压3.6m长的W钢带；顶网、帮网均采用双层网，即：里层为双抗聚丙烯网，外层为10号铁丝制做而成的金属网，网格孔距为50×50mm。

工字钢支架使用12号工字钢加工而成，规格为中宽×高=4.0×3.1m。

（2）施工卸压钻孔释放地应力，首先沿巷道掘进方向水平布置6个大直径卸压钻孔，钻孔直径123mm，每个卸压钻孔长100m，每掘进80m施工一组卸压钻孔，保证超前距不小于20m。然后每隔5m在巷道上下两帮各施工2个卸压钻孔，钻孔沿煤层布置，长度各10m。

（3）在巷道迎头施行松动爆破的形式释放地应力。

施工时采用掏槽眼放震动炮的方式释放地应力，每次爆破掏槽眼为7个，每个炮眼深2.3m，每个炮眼装药量为2卷。每次爆破后必须逐架施工，及时支护，掘进2.4m后再次爆破释放地应力，循环施工。

（4）由于巷道受地应力影响，局部围岩发生变形，且巷道压力大。因此在8106运输顺槽安装KJ533煤矿顶板动态监测与分析系统，包括：顶板位移在线监测和锚索压力在线检测。通过对数据的收集、分析和处理，判断巷道围岩变形和压力情况，根据分析的结果及时对压力显现较大的地段加强支护，保证巷道后路安全。

4.结语

8106运输顺槽的高地应力条件给安全生产和矿井采掘衔接带来了极大影响。通过采取改变巷道断面、优化支护强度、施工卸压钻孔、放松动炮、安装矿压在线监测设备等一系列行之有效措施后，使得地应力得到释放，响炮声响声减小、频度递减甚至消失，职工的工作紧张情绪得到缓解，保证了巷道的正常施工。不仅保证了职工的生命安全，还实现了巷道的正常施工，确保了矿井采掘正常衔接。