高应力区巷道掘进施工防冲安全技术

王 渊 张景祥

（1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2.母杜柴登煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

国内众多学者对冲击地压矿井的巷道掘进安全进行了研究。朱斯陶等[1]对高应力区掘进冲击地压事故机制进行了研究；杨佳旻[2]以门克庆煤矿为背景，制定了厚煤层坚硬顶板工作面冲击地压防治技术措施；郭光辉等[3]对冲击地压矿井掘进巷道卸压钻孔创新进行研究；马斌文[4]对钻孔卸压防冲机制进行了研究；陈涛等[5]研究钻孔卸压中钻孔周围的应力分布特征及影响卸压效果的因素。但是面向采空区掘进的巷道安全技术研究较少，该类巷道呈现从正常应力区向高应力区过渡问题，而且存在交叉巷道沿空转弯掘进。母杜柴登煤矿30207 工作面走向长度近6000 m，需中部区域沿倾向方向施工通风措施巷，方便两顺槽通风与运输，通风措施巷与工作面回风巷交叉处距离切眼3166 m 处，掘进区间自东向西朝30208 采空区方向掘进。通过该矿工程经验矿压显现情况与冲击地压影响因素分析，确定不同冲击危险区域具体位置，并制定不同危险区域综合监测方案与卸压方案。特别采用在常规卸压工程基础上在掘锚机后两帮增加施工2～4 个10°～50°倾角的斜孔达到进一步煤体增强卸压的目的，并根据微震监测确定了拐角处掘进风险情况，保障在高应力区向采空区掘进巷道安全。

1 概况

30207 工作面走向长约5800 m，倾向长300 m，煤层平均厚度5.92 m，埋深约640 m，相邻30208工作面已经回采完毕。通风措施巷位于30207 工作面中部，长347 m，掘进方向自东向西朝30208 采空区掘进。当掘进至距离30208 采空区剩余6 m 位置时，停止掘进，然后朝南沿空继续掘进30207 回风巷。30207 回风巷与30208 工作面采空区留有6 m 小煤柱，X1 向斜经过通风措施巷中部区域。工作面通风措施巷平面位置示意图如图1。

图1 30207 工作面通风措施巷位置示意图

2 通风措施巷掘进期间冲击地压影响因素分析

1）开采深度。30207 工作面开采深度在地面以下640 余米，此深度诱发冲击地压风险大大增加。

2）冲击倾向性。3-1 煤具有强冲击倾向性，单轴抗压强度为35.37 MPa，顶底板具有弱冲击倾向性。煤体强冲击倾向性是影响巷道掘进期间冲击危险性重要因素之一。

3）采空区。相邻30208 工作面采空后，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移，从而在采空区四周形成支承压力集中带，是面向采空区掘进期间动力矿压显现的主要静载力源。

4）巷道交叉。通风措施巷掘进完毕后，朝南继续施工30207 回风巷，此时形成三角交叉区域。巷道交叉区域会引起附近煤岩体局部应力集中，是掘进期间动力显现的静载力源。

5）地质构造。30207 工作面通风措施巷掘进期间受X1 向斜影响，如图2 中X1 向斜与通风措施巷交叉。在断层或者特殊构造区域附近构造应力升高，动力灾害发生风险较大。

图2 30207 工作面通风措施巷冲击危险区域划分结果

6）掘进动载。该地区已有通风措施巷掘进及小煤柱工作面回风巷掘进期间均有明显煤炮显现，受邻近采空区高应力区掘进扰动影响是造成煤炮增多主要原因之一。

综合以上因素得到30207 通风措施巷掘进期间冲击地压主要影响因素为：1）静载主要力源：30208 工作面采空区侧向支承压力、巷道交叉、褶曲附近构造应力影响。2）动载主要力源：掘进工作面自身动载扰动及掘进扰动下的采空区顶板活动。

3 通风措施巷危险区域划分

以往类似条件朝采空区掘进期间迎头至距离回风巷约150 m 时出现明显片帮，迎头至距离回风巷约50 m 时，掘进区域迎头后方巷道帮部中上部最大片帮量700～800 mm，且掘进期间迎头有煤炮及炸帮。根据已有施工经验及冲击地压主要影响因素，进行危险区域划分：

1）强冲击风险区：通风措施巷距回风巷0～50 m 位置，主要受30208 采空区侧向支承压力、巷道交叉影响。

2）中等冲击风险区：通风措施巷距回风巷50～120 m 位置，主要受采空区侧向支承压力影响；通风措施巷距回风巷170～210 m 位置，主要受X1向斜影响。

其他区域为弱冲击风险区。

4 通风措施巷掘进期间防冲监测预警方案

冲击地压的发生是动载和静载共同作用的结果，因此通风措施巷掘进期间的冲击危险性监测需采取区域与局部监测相结合的方法。区域监测措施采用微震监测法。局部监测以采动应力、钻屑法为主。

4.1 微震监测方案

1）台网布置方案

30207 胶运巷与通风措施巷交叉口两侧各布置一台拾振器S1、S2，两拾振器与通风措施巷和回风巷交叉口相距不大于1000 m；在通风措施巷掘进迎头后方滞后迎头50～150 m 范围内布置探头T1，滞后迎头150～250 m 范围内布置探头T2，形成4 个有效测点组成的监测台网。

2）预警指标

弱冲击危险区域：∑E≥1.1×102J ，日频次≥4 个，每米总能量≥1.8×103J；中等冲击危险区域：∑E≥2.0×103J ，日总频次≥8 个，每米总能量≥3.6×103J；强冲击危险区域：∑E≥8.6×103J，日总频次≥10 个，每米总能量≥8.6×103J。

4.2 采动应力监测方案

1）测点布置方案

煤体应力计滞后迎头≤30 m。通风措施巷内中等及弱冲击危险区，两帮安装煤体应力计，其中一帮安装深孔14 m，另一帮安装浅孔8 m，测点组间距30 m；强冲击危险区采用深浅孔布置，安装深度分别为14 m、8 m，组间距20 m，每组两个应力计组间距为1.0 m；安装孔径42～45 mm。

2）预警指标

强冲击危险区域：浅孔≥14 MPa，深孔≥16 MPa；中等冲击危险区域：浅孔≥12 MPa，深孔≥14 MPa；弱冲击危险区域：浅孔，初始安装压力～12 MPa，深孔，初始安装压力～14 MPa。

4.3 钻屑法监测

1）掘进迎头钻孔布置

迎头施工2个钻孔，孔径42 mm，钻孔深度15 m，监测频率要始终满足掘进工作面不小于5 m 的超前监测距离；距底板垂直距离0.5～1.5 m，单排布置，钻孔方向与巷帮垂直，平行于煤层，监测间隔时间为1～2 d。

2）两帮钻孔布置

迎头后方60 m 范围内正帮施工3 个钻孔，参数同迎头钻屑法参数，其中监测间隔时间为2～3 d。

3）钻屑量冲击危险临界值

42 mm 钻孔临界值：钻孔1～6 m 每米钻粉临界值为3.0 kg，7～12 m 临界值为4.7 kg，13～15 m 临界值为7.5 kg。

5 通风措施巷掘进期间防冲措施

30207 回风巷相邻巷道30208 工作面胶运巷已施工水力压裂措施，在工作面掘进期间难以向采空区侧实施顶板预裂措施，故该次方案以煤层卸压为主。常规卸压孔施工为正头卸压和帮部卸压，为增强卸压效果，在常规卸压基础上，在掘锚机后两帮增加施工2～4 个10°～50°倾角的斜孔增强煤体卸压。

5.1 大直径钻孔预卸压措施

5.1.1 中等冲击风险区预卸压方案（距回风巷50～120 m、170～210 m 段）

两帮：通风措施巷两帮每隔2 m 实施一个大直径钻孔，钻孔与巷帮垂直，距底板0.5～1.5 m，孔径Φ150 mm，孔深20 m，滞后迎头距离不超过40 m。

迎头：在距离迎头后方掘锚机与梭车之间施工迎头斜卸压孔，距底板1～1.2 m。1#钻孔与巷道右帮呈27°夹角，孔径Φ150 mm，孔深33 m；2#钻孔与巷道右帮呈17°夹角，孔径Φ150 mm，孔深31 m；左帮侧类似。迎头斜孔滞后迎头距离不超过10 m 施工。

预留超前卸压保护带投影距离8 m，允许掘进距离≤12 m，单次施工不少于4 个钻孔，循环执行，如图3。

图3 距回风巷50～120 m、170～210 m 段卸压方案（m）

5.1.2 强冲击风险区预卸压方案（距回风巷0～50 m段）

距离回风巷0～50 m 段受采空区侧向支承压力影响最大，按强冲击危险区管理。在迎头施工三花孔并增加巷道两侧卸压强度。

1）迎头预卸压方案。在迎头布置3 个大直径钻孔，采用三花布置，孔深50 m，直径150 mm，平行于煤层布置。

2）两帮预卸压方案。对巷道两侧各15 m 范围内煤岩体进行预卸压，具体方案为：在迎头断面两侧各增加4 个卸压孔，4#孔与右帮夹角10°，孔深50 m；5#孔与右帮夹角17°，孔深50 m；6#孔与右帮夹角25°，孔深36 m；7#孔与右帮夹角50°，孔深20 m；左帮侧8#～11#孔与之类似。

距回风巷0～50 m 范围内，两帮每隔1 m 实施一个大直径钻孔，钻孔与巷帮垂直，距底板0.5～1.5 m，孔径Φ150 mm，孔深20 m。帮部钻孔依据单日进尺紧贴迎头施工，直至掘锚机位置。如图4。

图4 距回风巷0～50 m 段掘进迎头与帮部卸压方案

3）二次预卸压时机。一次预卸压后，距回风巷0～50 m 段掘进期间，每日掘进速度≤8 m/d。掘进期间加强监测，两帮片帮增大、监测异常时，进行钻屑检验，钻屑超标时，停止掘进并再次解危卸压（考虑采空区积水因素，迎头卸压孔及两帮斜孔卸压孔终孔位置不超过回风巷正帮），钻屑检验不超标后方可继续掘进。

5.1.3 中等危险区域掘进期间预卸压方案（回风巷与通风措施巷交叉口段）

帮部：仅在正帮施工，小煤柱侧不再施工大直径卸压钻孔；正帮每隔2 m 实施一个大直径钻孔，钻孔与巷帮垂直，距底板0.5～1.5 m，孔径Φ150 mm，孔深20 m，滞后迎头距离不超过40 m。具体见图5。

图5 回风巷与通风措施巷交叉口段卸压方案（m）

迎头：距底板1～1.2 m，1#钻孔与回风巷副帮呈27°夹角，孔径Φ150 mm，孔深33 m；2#钻孔与回风巷副帮呈17°夹角，孔径Φ150 mm，孔深31 m。具体见图5。

5.2 应用效果

在施工完相关卸压工程后，掘进期间片帮情况得到较大改观，仅在第二根锚杆上下存在片帮破碎情况，片帮深度约0.5 m，较以往减少0.3 m。其中，高应力区迎头卸压孔及斜孔以2～12 m 范围煤炮较多，孔内3 m 以里均出现塌孔，继续施工直角孔和斜孔后，高应力区压力得到一定释放。由弱到强风险区域，钻屑孔煤粉颗粒由粉状转换到颗粒状，粒径达到3 cm，表明在高应力区钻粉呈现大颗粒特点。微震事件显示掘进通风措施巷与回风巷拐角内侧微震事件最多，应力集中程度最高。应力计在掘进迎头后方有升高现象，迎头后方3～15 m 范围巷帮微震事件较多。在施工二次卸压措施后，8 m 深应力计平均应力降低约1～2 MPa，说明浅部高应力区朝深部转移，冲击风险降低。

6 结语

1）通过分析向采空区掘进巷道的冲击地压影响因素，结合已有工程矿压显现情况，确定距采空区0～50 m 为高风险区域，50～120 m 为中等风险区域。

2）分区制定了高应力区掘进“微震+应力+钻屑”综合监测方案，确定了预警指标。

3）高应力冲击风险区的巷道掘进，在常规卸压工程基础上，在掘锚机后两帮增加施工2～4 个10°～50°倾角的斜孔增强卸压，效果良好。