冲击地压矿井掘进巷道卸压钻孔创新研究

2023-02-10郭光辉孙衍兴景勇鹏

陕西煤炭 2023年1期

郭光辉，孙衍兴，景勇鹏

(陕西永陇能源开发建设有限公司，陕西宝鸡 721000)

0 引言

陕西永陇能源开发建设有限公司矿井设计生产能力400万t/a，立井开采。布置3条井筒，即主立井、副立井、回风立井。全井田按煤层划分7个盘区，盘区开采先后顺序为：21盘区、22盘区、23盘区、11盘区、24盘区、25盘区、26盘区。先期开采21盘区，工作面采用后退式回采。天地科技股份有限公司开采设计事业部2016年8月编制的《崔木矿井冲击危险性评价》报告结果显示：永陇公司崔木煤矿在开采期间的整体冲击危险等级为中等冲击危险，冲击地压的发生以煤岩层积聚的静载荷为主要力源，主要包括煤岩冲击倾向性、采深、构造、煤柱等影响因素。而动载荷的影响因素中，高强度开采扰动和厚层顶板活动是促进动载荷产生的重要因素，易诱发冲击。崔木煤矿矿井平面布置如图1所示。

图1 崔木煤矿矿井平面布置Fig.1 Plan layout of Cuimu Coal Mine

1 巷道布置及周边关系

22311工作面位于井田22盘区，地面主要为山地、植被土质、道路、村庄居民地等地貌，地面标高约+1 285～+1 441 m；煤层底板起止标高约为+614～+791 m，工作面设计走向长1 211 m(切眼至设计收作线)，平均倾向宽约200 m，全煤平均厚度13.8 m，可采储量392.0万t。22311工作面西部靠近无煤边界，东部靠近北翼辅运大巷，初步设计预留约250 m大巷保护煤柱，22311工作面运输机巷侧和回风巷侧均为实体煤区域。设计停采线距北翼辅运大巷250 m。机巷距22307工作面最小距离400 m，距22304工作面最小距离550 m。22311工作面机巷安全通道在22311工作面机巷外侧，其中机巷安全通道三段距22311工作面切眼1 000 m，为22311工作面最低点，为防止工作面突水堵塞巷道而设计的逃生安全通道。22311机巷安全通道一段长28.2 m，二段长126 m，三段长14.8 m，巷道为矩形断面。工作面周边开拓开采情况如图2所示。工作面机巷安全通道设计开采区域如图3所示。

图2 工作面周边开拓开采情况Fig.2 Exploitation and mining around the working face

图3 22311工作面机巷安全通道设计开采区域Fig.3 Design mining area of belt conveyor roadway safety passage of 22311 working face

22311机巷安全通道：自E点施工28.2 m至F点，随后施工126 m至G点，再施工14.8 m至H点与机巷贯通。

2 大直径钻孔预卸压方案

2.1 常规卸压设计

根据经验，机巷安全通道大直径卸压钻孔一般设计为：两帮每隔 1±0.1 m各实施一个大直径钻孔，孔径不小于150 mm，孔深30 m，距底板0.5～1.5 m，钻孔垂直于煤帮并沿煤层倾向，滞后迎头不超过10 m。迎头“三花”布置大直径钻孔，左右两侧孔间距为1.2 m，卸压钻孔(高孔)距巷道巷底高度1.5 m，卸压钻孔(低孔)距巷道底板高度为0.5～1.2 m，孔深不小于35 m。工作面迎头始终保持卸压保护带宽度不小于8 m，当卸压孔距离迎头超规定距离时必须停止迎头掘进，待卸压完成后方可掘进施工。常规卸压方式如图4所示。

图4 常规卸压方式Fig.4 Conventional pressure relief mode

针对掘进期间底煤厚度超过1 m的区域还要采取底板大直径钻孔卸压处理。

钻孔断底，孔径不小于150 mm，间距1 m，终孔施工至煤层底板(见岩停)。巷道底角垂直于煤帮斜向下-45°施工，巷中垂直巷道底板向下沿走向-45°施工，滞后迎头不超过20 m。卸压钻孔布置如图5所示。

图5 底板大直径钻孔布置Fig.5 Layout of large diameter drilling holes on floor

2.2 创新卸压设计

根据安全通道宽度较小(2.2 m，仅为正常掘进宽度的一半)，钻机进入后影响掘进行的运输，大孔径钻孔施工困难，距离311机巷较近(9 m)的特点，对22311机巷安全通道的大直径卸压钻孔施工进行了创新设计。在22311工作面运输机巷副帮每隔1±0.1 m实施一个大直径钻孔，钻孔孔径不小于150 mm，孔深40 m，距底板0.5～1.5 m，钻孔垂直于煤帮并沿煤层倾向，钻孔超前掘进头30 m施工，由于大直径卸压孔超前掘进面的贯穿式施工，使22311机巷安全通道始终处于卸压孔施工后的应力降低区，从而达到用超前横向卸压孔替代掘进巷道迎头和两帮的预卸压钻孔和断底卸压孔的目的，创新卸压方式如图6所示。创新的卸压设计通过一次卸压措施的施工，既削弱了掘进头前后两处的应力集中，又消除了卸压钻孔施工对掘进进尺的影响，实现了安全快速掘进。

图6 创新卸压方式Fig.6 Innovative pressure relief mode

3 卸压效果分析

目前22311机巷安全通道已经按照新设计的卸压钻孔方案，完成了超前大直径卸压钻孔施工和机巷安全通道掘进施工。通过22311工作面已经安装的SOS微震监测系统、KJ21应力在线监测系统及钻粉监测数据，CT反演数据分别对安全通道掘进期间的卸压效果进行了分析。

3.1 微震监测数据分析

永陇公司崔木煤矿已安装运行了22311工作面的SOS微震监测系统。该系统为波兰矿山研究总院研发，可实现对矿井包括冲击地压在内的矿震信号进行远距离(最大10 km)、实时、动态、自动监测，给出冲击地压等矿震信号的完全波形。通过分析研究，可准确计算出能量大于100 J的震动及冲击地压发生的时间、能量及空间三维坐标，并将定位结果显示在矿区平面示意图上，利用这些宝贵信息源对矿井冲击地压危险程度进行评价。微震监测系统如图7所示。

图7 微震监测系统Fig.7 Microseismic monitoring system

根据微震数据查询结果，机巷安全通道施工近一个月的时间内，施工区域共监测到49次有效震动，以小能量事件为主，最大能量为5.45E+03J。

虽然安全通道掘进期间掘进区域内出现了不少小能量事件，但由于安全通道掘进区域提前施工卸压钻孔，施工区域内应力向施工区域两侧及煤体深部转移，因此安全通道掘进施工期间，施工区域未出现微震事件集中分布现象，且出现了微震事件集中分布于安全通道开口以外的巷道与向斜轴交叉区域的“反常”现象，主要原因是该处受地质构造影响，原岩应力集中程度较高，在巷道掘进和卸压钻孔施工的双重影响下，原岩应力与采动应力、卸压转移应力叠加产生了较为集中的微震活动，“反常”微震集中分布和应力集中正说明了通过掘进区域超前卸压孔的施工，使掘进迎头一直处于低应力卸压保护带内,卸压效果显著。

3.2 应力在线监测数据分析

冲击地压应力在线监测系统是基于“当量钻屑法”的基本原理和“多因素耦合的冲击地压危险性确定方法”研制的能够实现准确连续监测和实时报警冲击地压危险性和危险程度的监测系统。即：在有冲击地压危险的区域，且应力达到煤体破坏极限时，才有可能发生冲击地压，而此时钻屑量将超过额定的安全指标。因此，通过研究、监测确定应力增量的变化规律与钻屑量之间的关系，通过监测应力增量的变化规律便可间接得到钻屑量值，实现利用钻孔应力测量代替钻屑量作为主要的监测指标。冲击地压实时监测预警系统结构如图8所示。

图8 冲击地压实时监测预警系统结构Fig.8 Structure of real-time monitoring and early warning system for rock burst

冲击地压在线监测系统既可以用来监测掘进巷道煤体中的应力，也可以通过应力计应力的变化情况进行卸压效果检验。监测系统自动读取压力数据，并实时传输到地面控制室，显示冲击危险性云图。也可以采用数据处理软件处理各应力计的数据，作为评价冲击地压危险性的依据。

22311机巷安全通道掘进巷道迎头后方监测范围为150 m，应力传感器位置距底板0.5～1.5 m，2个1组，组间距20 m，组内间距2 m。传感器初设值为5 MPa。在线监测迎头后方应力变化动态，对冲击地压危险区和危险程度进行实时监测预报预警。因机巷安全通道工作面侧煤柱厚度(9 m)小于应力计厚度，因此机巷安全通道在背离22311工作面侧安装，孔深为8 m和14 m这2种。

从22311机巷掘进期间区域内应力变化曲线可以看出，安全通道掘进期间应力数据平稳，无明显上升趋势且未出现应力超标现象。证明安全通道掘进期间无应力集中区域。

通过22311安全通道掘进期间微震监测数据、应力监测数据分析，可以证明安全通道掘进期间所采取的超前卸压钻孔效果明显。

3.3 钻粉监测数据分析

钻屑法可对采掘过程中的煤体静载变化进行监测。根据危险区域划分结果，对危险区域采取钻屑法进行重点监测，根据不同的危险等级，制定监测手段的实施方案、实施频率等。下面为钻屑法在22311机巷安全通道掘进期间的方案实施说明。

掘进工作面迎头钻孔布置：掘进工作面迎头应保证每10～20 m2布置一个钻孔，钻孔个数应不少于2个，且监测频率要始终满足掘进工作面迎头具有不小于5 m的超前监测距离。掘进工作面两帮钻孔布置：掘进工作面后方至少60 m区域，钻屑钻孔深度设计为不小于13 m，钻孔方向与煤壁垂直，平行于煤层，距底板0.5～1.5 m，孔径42 mm。钻孔间距不大于10 m，监测间隔时间为1 d，工作面钻粉检测及22311机巷安全通道钻粉监测曲线见表1及如图9所示。