多巷布置条件下复合构造区防冲卸压技术

王东杰，王 冰，朱刚亮

(陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳 713600)

0 引言

随着开采深度的增加，冲击地压矿井数量在逐年增加，冲击事故呈现多发趋势。近年来，先后有大量学者在冲击地压发生机理、监测预警、防治措施等方面做出了大量的研究，先后总结、形成强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向性理论、动静载叠加诱冲等冲击地压理论[1 -5]，形成煤层钻孔卸压、煤层爆破卸压、煤层注水、顶板爆破预裂等冲击地压防治成套技术[6 -15]。但大部分研究对象为采掘工作面，对于已成型的多巷布置条件下复合构造区防冲卸压研究较少。以孟村煤矿5条中央大巷及地质复合构造区为背景，开展多巷布置条件下复合构造区防冲卸压技术研究。

1 矿井概况

陕西彬长孟村煤矿煤层为近水平煤层，4号煤层为唯一可采煤层，埋深约为600～800 m，为典型深部矿井，埋深已超过当地煤田冲击地压临界深度，且该煤层经鉴定为具有强冲击倾向性的煤层。该矿中央大巷均布置在4号煤层中，埋藏深度在700 m以上，5条大巷均已施工至403盘区边界，各大巷间距35 m，中央大巷附近布置有401101工作面，401101运顺距离中央二号回风大巷200 m，具体布置如图1所示。其中中央大巷附近赋存有DF29大断层，其延展长度约3 km，较大的褶曲构造为 B2背斜、X1向斜。受井田煤大型褶曲和断层等构造以及坚硬顶板的叠加影响，作为孟村矿井主要运输及通风枢纽的5条中央大巷围岩内集中静载荷分布及应力演化规律异常复杂，在服务期间发生过冲击地压，严重影响矿井的正常生产。

图1 矿井中央大巷平面布置Fig.1 Plan layout of central main roadway of coal mine

2 多巷布置复合构造区冲击地压机理及主控因素分析

根据能量准则，以单位体积煤岩体为研究对象，冲击地压是煤体 -围岩系统在力学平衡状态被打破时，释放的能量大于破坏过程消耗的能量状态下产生的动力现象，即采掘围岩静载荷与矿震诱发的动载荷叠加，超过了煤岩体冲击破坏的临界载荷时，就会诱发冲击地压。

2.1 多巷布置叠加构造影响下静载荷分析

2.1.1 多巷布置应力分布规律

针对中央大巷5条巷道对称布置，为分析中央大巷多巷布置条件下巷道围岩应力分布情况，采用FLAC3D软件对其进行模拟研究。为简化模拟过程，模型为中央大巷3条巷道。模拟结果如图2所示。

图2 中央大巷巷道群应力分布云图Fig.2 Cloud chart of stress distribution of central main roadway group

从图2中可以看出，3条巷道在掘进过程中均出现了不同程度的应力集中，在巷道迎头及两侧均有应力升高现象，其中两巷之间的保护煤柱应力集中程度最高。因此，多巷布置条件下保护煤柱内容易积聚静载荷。

2.1.2 断层对静载荷的影响

中央大巷5条巷道在掘进过程中先后揭露DF29断层，该断层长2.5 km，落差0～38 m。由于该断层面的存在，导致断层上、下盘之间表现出不同的应力分布状态。

采用FLAC3D软件模拟中央大巷DF29断层区域应力分布状态，模型如图3所示。应力分布如图4所示。

图3 断层模拟三维模型Fig.3 Three dimensional model of fault simulation

由图4可知，由于断层面的存在，断层扰乱了附近煤体的应力分布。断层端部出现了明显的应力集中，且上下盘都是一端高应力集中，一端应力降低，端部应力近似呈蝶形分布。其中1#区域为上盘应力降低区，2#区域为上盘应力集中区，3#区域为下盘应力集中区，4#区域为下盘应力集中区，且4#应力降低幅度相比3#区域高达37.5%。说明在断层上盘容易在巷道底板积聚静载荷，断层下盘容易在顶板积聚静载荷。

图4 断层端部煤岩体垂直应力分布云图Fig.4 Cloud chart of vertical stress distribution of coal and rock mass at the end of fault

2.1.3 褶曲对静载荷的影响

褶曲构造的巷道群，构造的存在与底煤厚度的变化，不仅提高了巷道围岩内支承压力的水平，而且增加了巷道顶底板内水平应力的大小，从而为该段巷道冲击启动提供了增量静载荷。该载荷的加入增强了对巷道底板的挤压作用，如图5所示，褶曲的存在导致了巷道煤柱区垂直应力增加甚至有可能超过冲击临界支承压力。

图5 褶曲构造区三巷掘进静载荷叠加原理Fig.5 Static load superposition principle of three roadways excavation in folded structural area

图5中P0为巷帮初始支承压力，P1为非褶曲带次生支承压力，P2为褶曲带次生支承压力，N为非褶曲带底板水平应力，N1为褶曲带底板次生水平应力。

2.2 动载荷来源分析

通过图1和图6可知，401101工作面的回采扰动对中央大巷构造区冲击地压的发生具有重要的影响。中央大巷动载荷来源经过分析，主要有：采空区顶板断裂；采空区顶板活动诱发断层活化导致附近顶底板断裂；采空区震源释放的动载荷导致中央大巷高应力区顶底板断裂。这几种动载荷互相耦合，为中央大巷冲击地压启动提供动载荷。

图6 中央大巷构造区动载荷来源示意Fig.6 Schematic diagram of dynamic load sources in the structural area of central main roadway

矿井中央大巷本身存在的高静载叠加巷间煤柱、褶曲、断层等增量静载荷使中央大巷复合构造区本身处于较高的危险状态，若再叠加周围产生的动载荷，极易发生冲击地压。

3 多巷布置复合构造区冲击地压控制技术

3.1 顶板定向长钻孔水力压裂

为了能够快速弱化坚硬顶板岩层，释放顶板坚硬岩层集聚的弹性能，削弱周边采空区活动对中央大巷的影响，采用顶板定向长钻孔水力压裂在中央大巷上部人工制造“解放层”，以实现大范围区域载荷水平的有效降低，进而达到控制中央大巷冲击危险的目的。

根据中央大巷群所处地质构造情况、巷道布置参数及微震事件震源位置，大巷压裂层位确定布置在距巷道顶板45 m高度的粗粒砂岩层内，如图7所示。

图7 顶板水力压裂层位布置Fig.7 Layout of roof hydraulic fracturing layers

设计在中央胶带运输大巷596 m里程附近施工专用钻场、压裂区，卸压方案设计布置5个钻孔，其中孔1、孔2、孔3、孔4分别位于大巷区段煤柱上方，孔间距约40 m，孔5位于大巷保护煤柱上方，与孔4间距约70 m。钻孔布置如图8所示，钻孔设计参数见表1。

图8 定向孔水力压裂1#～5#孔布置俯视Fig.8 Top view of directional hole hydraulic fracturing hole 1～5

表1 定向钻孔设计参数

3.2 中央二号回风大巷顶板深孔预裂爆破

为降低401101工作面采空区上覆岩层运动对中央大巷复合构造区的影响，在中央二号回风大巷顶板岩层采取深孔预裂爆破，处理范围为中央二号回风大巷内DF29断层面两侧各215 m的顶板岩层，如图9所示。

图9 中央二号回风大巷顶板深孔爆破处理范围Fig.9 Processing scope of roof deep hole blasting of central No.2 return air main roadway

根据距离中央二号回风大巷最近的4-2煤地质钻孔显示，中央二号回风大巷顶板以细粒砂岩、粗粒砂岩和中粒砂岩为主，巷道顶板35 m范围内存在30 m左右的合层砂岩。401101工作面采空区覆岩活动通过砂岩层传递至中央大巷，故而采用深孔预裂爆破方法对砂岩顶板进行预裂处理。

在中央二号回风大巷偏向401101工作面方向施工顶板炮孔，炮孔间距10 m，单排布置，炮孔深度36 m，仰角75°，方位角0°。炮孔直径75 mm，装药20 m，封孔16 m。采用φ60 mm被筒炸药，每卷炸药长度350 mm，重量1.1 kg/卷，装药线密度为3.2 kg/m，单孔装药量为64 kg。顶板预裂爆破方案如图10所示。

图10 中央二号回风大巷顶板预裂爆破方案Fig.10 Roof pre-splitting blasting scheme of central No.2 return air main roadway

3.3 中央大巷煤层分区分级卸压方案

孟村煤矿中央大巷均布置在4号煤中部，大巷之间煤柱宽度35 m，底煤厚度平均10 m左右，须对顺槽两帮采取卸压。通过降低卸压区域内煤岩体强度，使得两帮及底板煤岩体的应力集中度下降，将高应力区向两帮及底板深处转移；通过底板爆破震动诱发附近区域巷道围岩内蕴藏弹性能的释放，从而达到快速、大幅度降低巷道底板内的冲击危险程度的目的。

卸压区域主要包括：中央带式输送大巷DF29断层面向外200 m；中央二号辅运大巷DF29断层面向外210 m；中央一号辅运大巷DF29断层面向外200 m；中央一号回风大巷DF29断层面向外215 m；中央二号回风大巷DF29断层面以外215 m，DF29断层面以里100 m(岩巷除外)，如图11所示。

卸压顺序为：区域1→区域2→区域3→区域4→区域5。

两帮卸压方法为：中央带式输送机大巷两帮大直径钻孔卸压，中央二号回风大巷两帮大直径钻孔卸压，中央一号辅运大巷南侧煤壁大直径钻孔卸压，中央一号回风巷大巷由于矿井运输影响，南侧帮部采取爆破卸压，如图12所示。底板卸压方法为各条大巷均采取底板爆破卸压。

图11 卸压区域Fig.11 Pressure relief area

图12 帮部卸压钻孔分布示意Fig.12 Distribution of pressure relief drilling hole on the side

针对巷道底板采取底板爆破卸压措施，施工位置为中央大巷的两底角，开孔位置为巷道帮部，位于底板以上150～200 mm，如图13所示。施工设备为全液压坑道钻机，爆破卸压钻孔直径75 mm；施工参数见表2，采用φ60 mm被筒炸药，每卷炸药长度350 mm，重量1.1 kg/卷，装药线密度为3.2 kg/m。

表2 底板爆破卸压设计参数

图13 底煤爆破卸压位置Fig.13 Location of floor coal blasting pressure relief

4 效果分析

选取2020年10月6日作为前后对比的界限，该时间前中央大巷构造区域开展了顶板及帮部局部集中卸压等工作。图14为卸压阶段及卸压后时期微震月均频次及月均能量变化情况，可以看出，采取顶板定向水力压裂、顶板爆破预裂、大直径钻孔、煤层爆破等综合卸压措施后，微震月均频次及月均能量持续大幅度降低，分别降至约6次/月、5.80×103J/月，防冲卸压效果显著。截止到目前，中央大巷复合构造压裂区内再未发生过大能量微震事件。

图14 微震月均活动变化情况Fig.14 Change of monthly average activity of microseisms

5 结论

(1)多巷布置条件下复合构造区静载荷既有埋深产生的基础静载荷又有巷间煤柱、褶曲、断层提供的增量静载荷，二者叠加使静载荷积聚处于高水平状态，但断层面附近存在一定范围的应力降低区。

(2)分析401101工作面与中央大巷复合构造区的时空关系，结合中央大巷地质条件得出中央大巷动载荷来源主要有：401101工作面采空区顶板断裂；401101工作面采空区顶板活动诱发DF29断层活化导致附近顶底板断裂；采空区震源释放的动载荷导致中央大巷高应力区顶底板断裂。这3种动载荷互相耦合，为中央大巷冲击地压启动提供动载荷。

(3)为切断401101工作面顶板活动对中央大巷的影响，在中央二号回风大巷施工切顶爆破孔；为实现增加静载荷的释放或转移，在中央大巷构造区附近施工大直径钻孔、煤层爆破等措施；为弱化顶板对中央大巷复合构造区的影响，施工顶板定向长钻孔水力压裂。

(4)通过对动、静载荷的分类处理，采取上述措施后中央大巷复合构造区微震月均频次及月均能量持续大幅度降低，分别降至约6次/月，5.80×103J/月，防冲卸压效果显著。从此中央大巷复合构造压裂区内再未发生过大能量微震事件。