煤矿巷道掘进期间冲击危害的防治措施研究

杨 永 王 浩 张传宁

（山东能源集团鲍店煤矿，山东 邹城 273513）

1 工作面简介

鲍店煤矿5312 工作面位于3#煤层，煤层平均厚度8.65 m，煤层属半暗型煤，具条带状结构，层状构造，厚度稳定，结构简单，f=2.9。工作面煤层总体趋势为一单斜构造，西北高东南低，煤层走向150°～162°，倾向60°～72°，煤层平均倾角9°。工作面中部V-F208 断层附近煤层倾角较大，预计最大15°。顶底板赋存条件如下：直接顶岩性为粉砂岩，厚度3.56 m，节理较发育，易破碎；老顶岩性为粉细砂岩，厚度8.47 m，坚硬致密，以细砂岩为主；直接底不发育；老底岩性为粉细砂岩互层，夹杂粉砂岩条带，厚度18.43 m，岩石呈中厚层状。鲍店煤矿已鉴定煤层具有强冲击倾向性，采用多种方法对5312 工作面的冲击危险性进行评价，划定可能存在冲击危险的区域。鲍店煤5312 综放工作面自北向南正向推进，工作面共开3 个切眼、1 条胶运顺槽和3 条辅运顺槽，工作面顺槽、切眼均沿煤层底板布置。

2 巷道掘进期间冲击危险分析

（1）胶运顺槽多因素耦合冲击危险性评价及危险区划分

5312 工作面胶运顺槽沿5311 采空区布置，由南向北沿3 煤底板掘进，掘进过程中会受到工作面采动应力、侧向应力、断层、硐室等因素叠加影响，胶运顺槽5311 工作面停采线附近50 m 范围存在弱冲击危险，胶运顺槽V-F208 断层区域附近50 m 范围存在弱冲击危险，胶运顺槽V-F209 断层区域附加30 m 范围内存在弱冲击危险。

（2）辅运顺槽多因素耦合冲击危险性评价及危险区划分

5312 工作面辅运顺槽①沿3 煤底板掘进，靠近切眼③位置临近铺子断层，近切眼③位置前后30 m范围存在弱冲击危险。5312 工作面辅运顺槽②和辅运顺槽③沿3 煤底板掘进，北部端头临近铺子断层，辅运顺槽②和辅运顺槽③掘进时会受到断层构造应力影响，靠近断层的区域（辅运顺槽折线部位）存在弱冲击危险。

（3）开切眼多因素耦合冲击危险性评价

切眼①、切眼②和切眼③靠近铺子断层的区域受断层及牵引褶皱影响，切眼①掘进60 m 范围内受断层和相邻工作面回采扰动影响存在弱冲击危险，切眼②和切眼③接近断层30 m 范围存在弱冲击危险。

3 巷道支护措施

3.1 顺槽支护参数

辅运顺槽与胶运顺槽断面为5.4 m×3.7 m，采用相同的支护措施，如图1 所示。锚杆托盘均采用335#钢材预加工，面积0.15 m×0.15 m，厚度10 mm，其承载力不小于杆体屈服载荷。

图1 胶运顺槽断面支护图（mm）

顺槽顶部采用杆体型号为MSGLW-500 规格为ML Ⅳ22/2400 Q/YZK 031 型锚杆、延伸率为18%的锚杆进行锚固。顶部和帮部锚杆螺母预紧力≥300 N·m，顶部和帮部锚杆锚固力≥150 kN。胶运顺槽顶部锚杆支护网度0.9 m×0.9 m，共布置6根锚杆，采用2 卷树脂锚固剂全长锚固方式。另外，顶部预埋SK 22/7-1860 Q/YZK 078 型长锚索3 条，直径22 mm，锚索长7 m，网度为2.1 m×2.7 m。

两帮采用MG500 20×2200 型锚杆进行锚固。帮部支护网度1.0 m×0.9 m，两帮各布置4 根锚杆，安设1 卷树脂锚固剂端部进行锚固。

3.2 开切眼支护参数

开切眼采用锚网索联合支护，顶板锚索型号为Φ21.8 mm×6.0 m 高强度低松弛预应力钢绞线，锚索托盘面积为0.3 m×0.3 m，厚度为20 mm，锚索预紧力≥100 kN，锚固力≥180 kN，顶锚索布置网度为2.7 m×2.2 m。

顶部锚杆选用Φ22 mm×2.4 m KMG500 左旋全螺纹钢型，锚固力≥150 kN，锚杆螺母扭矩≥120 N·m，设计网度为0.8 m×0.9 m；帮部锚杆选用Φ20 mm×1.8 m 全螺纹钢型，锚固力≥100 kN，锚杆螺母扭矩≥60 N·m，沿空侧帮锚杆网度0.95 m×0.9 m，回采侧帮网度1.2 m×0.9 m。

4 巷道掘进期间防冲措施

工作面顺槽和切眼掘进期间，根据冲击危险分析采取矿压监测为主、钻屑法检验为辅的检测手段。局部冲击危险升高时，需采取防冲解危措施[1-5]，主要包括以下几种方式。

4.1 煤体大直径钻孔卸压

巷道施工过程中，若检测出冲击危险或巷道掘进过程中出现围岩活动明显加剧现象，岩煤壁施工一排大直径卸压钻孔，卸压钻孔须与煤层方向平行，钻孔直径≥110 mm，孔间距4 m，孔口高度1.5 m左右，钻孔深度超前卸压保护带20 m 以上。

4.2 断层底煤断底卸压防冲技术

工作面巷道掘进一般沿底板掘进，不留底煤，但在巷道过断层区域时，会存在部分留底煤区域。为防止断层预留底煤发生冲击地压，采取的防冲方式包括：①采用底板大直径钻孔断底法进行卸压；②如果大直径施工不能有效解决底煤松动问题或者底煤厚度＞1 m 时，可以采用爆破断底卸压方式进行防冲。

（1）底板大直径钻孔断底卸压法

与煤体大直径钻孔卸压工艺相似，通过施工大直径卸压钻孔，达到破坏周围煤体、释放煤层矿压应力、降低或消除冲击地压危险的目的。断底钻孔参数：在巷道两帮与底板的交界位置施工向下孔，角度45°，孔径110 mm，间距1～1.5 m，深度达到底板岩石，如表1 所示。断底钻孔使用需注意：如发现断底效果不理想，则适当加密钻孔，但是不能破坏顺槽原有的支护措施。

表1 断底孔技术参数

（2）爆破断底卸压技术

如果大直径施工不能有效解决底煤松动问题或者底煤厚度＞1 m 时，常常伴有巷道底鼓现象，此时可以采用爆破断底卸压防冲措施。施工小直径钻孔小药量爆破，扩大底部煤层结构松散性质，降低煤层冲击危险。

爆破断底参数：在巷道底板布置单排小直径炮孔，炮孔参数如表2 所示，间距3 m，孔深2.3～2.5 m，角度30°斜向下。每个炮孔安装1～2 支煤矿许用炸药爆破，通常形成压碎圈为炮孔直径的7 倍、裂隙圈为孔径的120 倍，孔距3 m 可以实现底煤的彻底断底。

表2 断底爆破技术参数

4.3 掘进速度的控制

根据矿区相邻工作面防冲经验，正常生产条件下，工作面每天掘进进尺不得超过20 m。在弱冲击危险区域掘进时，每天掘进进尺不得超过15 m，如果出现监测异常时，应根据情况采取措施，掘进速度应放慢，可调整至每天10 m，直至监测无异常。

5 掘进期间冲击危险监测方案

5.1 监测方案概述

5312 工作面巷道多个位置具有弱冲击危险，应以微震监测和钻屑法检测为主要手段，实时掌握冲击危险动态。在工作面巷道掘进期间，采用矿压观测法进行冲击危险观测，采用微地震监测系统实时监测高位顶板岩层随掘进活动的进行是否会发生失稳运动，以评价煤层上方坚硬岩层发生矿震的可能性。如发现煤炮频繁、压力突增或出现冲击气流等异常动力现象必须及时进行钻屑法检测。

5.2 微震监测

5312 工作面使用的微震监测系统为SOS 微震监测系统。监测分析范围：距巷道迎头半径200 m，单个震动能量超过1.0×104J，采用微震监测指标超过临界值时，最终判定是否具有冲击危险。

微震事件监测结果：本工作面采用5 个微震器对工作面震动信号进行采集，通过SOS 微震监测系统对冲击危险性进行评估分析。工作面自2020 年12 月开始回采，2021 年5 月17 日工作面回采结束。工作面回采结束后依旧监测到微震事件，事件频次及能量均比生产期间低，进入6 月后，微震事件基本消除。工作面开采以来共监测到震动事件2920次，平均日震动18.6 次，累计震动总能量5.72 ×106J，最大震动事件能量为4.56×104J，103J 以下事件2824 次，104J 以上事件96 次。

通过微震事件分布分析，工作面震动事件主要集中在1.0×103J 以下，以小震动事件为主，震动事件相对较分散，较大能量事件主要集中在工作面回采后期，工作面回采前期微震事件频次及能量均比后期少。分析原因主要为工作面开采范围进一步扩大，与铺子断层接触的范围增大，铺子断层因工作面采掘活动可能造成局部应力集中。总体评价如下：微震事件相对较多，但总体能量较小，工作面回采期间无异常压力显现。

5.3 钻屑法

（1）监测位置

监测范围为巷道掘进迎头、掘进迎头后方60 m以内的区域巷道帮。

（2）监测孔布置

分别在距离迎头10 m、20 m、30 m 处布置3个钻孔，钻孔直径42 mm，沿煤壁方向单排布置，布置高度1.2 m左右，孔深14 m，钻孔煤层倾向平行。

（3）监测频率

对于5312 工作面，切眼、顺槽每40 m 实施一次钻屑检测。

（4）检测判定依据

一般将钻粉率指数1.5 定为该地点是否具有冲击危险的阈值。鲍店煤矿5312 工作面采取相应的防冲措施之后的钻粉率指数如表3 所示。

表3 5312 工作面临界煤粉量指标

（5）钻屑法的实际应用情况

工作面严格按防冲措施要求采用钻屑法进行冲击地压危险性监测，弱冲击危险区域每3 d 监测一次，无冲击危险区域监测频率为5 d 一次。煤粉钻孔施工记录表明钻孔过程中无卡钻、吸钻等问题，煤粉无超标现象，最大煤粉量2.38 kg/m。数据表明采取相应的防冲措施之后，该矿实际生产条件的钻粉率指数未超过阈值，防冲措施有效地控制了煤层应力集中现象，有效避免了地压冲击危险。

6 结论

鲍店煤矿5312 工作面掘进期间采取微震监测和钻屑法检测为主要手段，实时掌握冲击危险动态，如发现煤炮频繁、压力突增或出现冲击气流等异常动力现象必须及时进行钻屑法检测。巷道掘进过程中，采取煤体大直径钻孔卸压技术、断层底煤断底卸压防冲技术，工作面于2021 年5 月实现安全顺利回采。防冲措施的实际数据及监测效果表明：各项防冲措施落实到位之后，实现了工作面基本顶周期性破断，未形成较大的悬顶；通过对危险区的预卸压，有效降低了煤体应力集中程度，降低了工作面范围内矿震的发生频次和能量，有效避免了地压冲击危险。