大埋深高应力煤巷帮部递进式卸压技术及应用

2024-03-18高久国李振安

山东煤炭科技 2024年2期

高久国李振安

（1.山东唐口煤业有限公司，山东济宁 272055；2.济宁市能源综合执法支队，山东济宁 272000）

冲击地压是煤矿开采的典型动力灾害，且随着煤炭开采深度的延伸，其灾害频次和强度逐渐增大[1]。为有效防治深部煤矿巷道冲击地压灾害，国内外学者经过大量研究发现，影响巷道冲击的主要因素包括围岩本身物理特性、应力分布及支护强度[2]。单纯加强支护的方法，施工繁琐且防冲效果难保证，而围岩本身物理特性难以改变，因此，改善围岩应力分布成为防治巷道冲击地压的最有效途径。其中，应力转移理论作为冲击地压防治中重要的观点得到了广泛的关注。目前，基于应力转移理论的冲击地压局部卸压技术，常见的大直径钻孔卸压技术，具有施工方便、成本低廉等优越性，得到广泛的应用。Wen Y L 等[3]对冲击地压巷道钻孔卸压过程应力场的变化进行对比分析，指出卸压效果主要取决于钻孔直径和分布间距。Thuro K 等[4]对各向异性岩石在钻孔和切割过程中的断裂扩展进行了研究。刘红岗等[5]分析得到了巷道围岩在动态载荷下损伤破坏发展的过程，对破坏过程中应力场重新分布过程进行了阐述。Huang B 等[6]研究了钻孔参数对类岩石试样基本力学参数的影响。王爱文等[7]对钻孔煤样破碎过程进行了分析，研究得到了其中的能量耗散规律。朱斯陶等[8]以巨厚煤层的工作面掘进状态和卸压区域为研究对象，揭示了大直径钻孔卸压失效机理，提出了优化卸压钻孔布置方式的防治措施。Zhu S 等[9]采用应力和微震监测研究了钻孔卸压效果。由上述研究可知，巷道应力的转移实质上是通过人工的方式将围岩所处的应力环境进行降低或使巷帮应力分布发生改变，达到降低支承压力峰值并向巷帮深部转移的目的，来维持巷道长期稳定。

唐口煤业公司工作面开采普遍处于千米以上，地质构造复杂，开采范围内煤岩体处于高应力环境。为了有效防控冲击地压灾害，提出了分段扩孔卸压技术、一孔多用卸压技术、沿空顺槽定向断顶-跨面预卸压技术等，并研究了相应的卸压效果，构建了千米深井多空间递进式防冲技术体系。

1 概况

唐口煤业公司主采3（3上）煤层，厚度2.10～10.70 m，平均5.14 m。330 采区采用条带回采，工作面宽度为60～90 m，相邻工作面间留设不小于50 m 的煤柱。该工作面布置条件下，工作面冲击的危险源为以自重应力和采动支承压力为主的静载荷源、以该工作面坚硬顶板断裂为主的动载荷源，载荷源具体见表1。

表1 唐口矿典型工作面布置形式下冲击启动载荷源

530 和630 采区主要采用留小煤柱沿空回采，工作面宽度为180～250 m，相邻工作面间留设不大于8 m 的煤柱。该工作面布置条件下，工作面冲击的危险源为以自重应力和采动支承压力为主的静载荷源、以本采空区或邻近采空区坚硬顶板断裂为主的动载荷源。

2 高应力巷帮深浅多级卸压技术

2.1 分段扩孔卸压技术

高应力煤体卸压技术中，大直径钻孔卸压技术具有施工方便、成本低廉等优越性，得到广泛的应用。研究表明：卸压钻孔孔径越大则卸压效果越好，但过大孔径的钻孔会使煤体破碎严重，从而丧失承载能力，容易造成巷道大变形甚至支护失效。考虑到卸压钻孔长度范围一般为15～20 m，而巷道支护范围为巷帮深度3 m 左右，为了在不影响支护体系与巷道稳定的前提下达到良好的卸压效果，提出了分段扩孔卸压方法，即选取合适的扩孔钻头在巷帮浅部区间施工小直径钻孔，在巷帮深部区间施工大直径钻孔，如图1。

图1 分段扩孔卸压技术示意图

2.2 一孔多用卸压技术

高应力煤体常采用大直径钻孔、钻孔爆破、煤层注水等技术进行卸压解危。在施工过程中都会进行钻孔施工，对于高应力集中区域，一般会采用多种卸压技术相结合的手段进行充分卸压，导致煤体钻孔密集分布、工程量大，且相邻钻孔间会相互影响，如注水孔可能通过卸压孔漏水。因此，为了在保证充分卸压的基础上，提高施工效率，降低劳动强度，研发了一孔多用技术。

2.2.1 “钻+压+注”技术

“钻+压+注”一孔多用技术，为深孔卸压技术，采用钻孔卸压、水力压裂、静压注水的方式，如图2 所示。具体流程：

图2 “钻+压+注”钻孔卸压过程示意图

1）钻孔卸压：在卸压地点，采用钻机钻进大直径钻孔（直径75 mm、孔间距20 m、孔深160 m），进行初步钻孔卸压；

2）封孔：注水孔封孔采用深孔高压限位注浆封孔技术进行封孔（封孔长度20 m）；

3）高压注水：封孔器外接高压注水管路，进行高压注水作业，压力不小于30 MPa，当压力出现明显降低，说明高压水已经进入致裂煤层；

4）静压注水：长时静压注水，注水压力不小于2 MPa。

2.2.2 “钻+切”技术

“钻+切”一孔多用技术，为浅孔卸压技术，采用钻孔卸压、水力切缝的方式进行，如图3 所示。具体流程：

图3 “钻+切”钻孔卸压过程示意图

1）钻孔卸压：在卸压地点，采用钻机钻进大直径钻孔（如直径150 mm，孔深25 m），进行初步钻孔卸压；

2）水力切缝：利用特制喷嘴钻头的冲击水压力切割煤层，同时监测控制阀上压力表的压力变化，当压力出现明显降低，说明高压水已经进入煤层。

2.3 沿空顺槽跨面超前预卸压技术

为实现沿空顺槽的提前卸压，提出了沿空顺槽定向断顶-跨面预卸压技术，在该工作面顺槽定向断顶，减小该工作面及邻近工作面来压强度。该工作面顺槽向下一工作面施工加长版大直径钻孔，提前进行预卸压，如图4 所示。工程试验表明，跨面预卸压技术有效减少了下一工作面顺槽的卸压孔数量，钻孔间距由1 m 优化为3 m，达到邻近两工作面顶板来压、下一工作面顺槽掘进支承压力一次性削弱的目的，有效保证了工作面接续及正常生产。

图4 沿空顺槽定向断顶-跨面预卸压技术（m）

3 多空间递进式防冲技术体系

唐口矿冲击地压防治坚持“宏观调控、根源治理、主动防治、双控双赢”的防冲理念，宏观上合理采场布置，优化开拓布局，避免孤立煤柱等区域性高应力集中条件形成。采取区域性治理措施消除冲击地压产生条件，以区域防范为先导，采取局部跟进的治理模式，深入落实个体防护措施，形成“宏观→区域→局部→个体防护”的四级治理体系，建立了千米深井冲击地压多空间递进式防冲技术体系，如图5。

图5 冲击危险分源监测预警-递进式卸压解危技术体系

4 应用效果对比

4.1 分段扩孔卸压技术应用效果

为了研究分段扩孔卸压与常规大直径钻孔卸压效果对比，在工作面进行了两种方法的对比测试，测试结果见表2。与原大直径钻孔卸压技术进行工程应用对比，在施工效率方面每米巷道分段扩孔卸压的卸压孔排粉量提高0.03 t，钻孔数量减少一半，施工效率提高至1.4 倍。通过卸压效果的对比，结合现场应力监测发现，扩孔卸压技术卸压效果更优，虽然在理论上分段扩孔卸压排粉量仅是原大直径钻孔卸压技术的2倍，但实际工程应用中，扩孔施工后，分段扩孔卸压的钻孔效应更加明显，煤体塌孔排粉量远超理论值，产生更好的卸压效果。支护体系影响上，新扩孔卸压技术只需考虑避免煤体自燃，因此仅用炮泥封口即可，不需要对封孔进行加固处理，避免了封孔质量对巷道支护效果的影响。经过现场观测，与大直径钻孔卸压技术相比，扩孔卸压对维护巷道支护和控制围岩变形具有良好的效果。

表2 钻孔卸压技术对比

4.2 一孔多用卸压技术对比

“一孔多用”技术与常规卸压技术对比见表3。采用常规卸压技术时，每百米巷道需要施工大直径钻孔62.5 个，施工注水孔2.5 个。采用“一孔多用”技术时，每百米巷道需要施工“钻+压+注”钻孔8.3 个，施工“钻+压+注”钻孔25 个，每百米钻孔总数为常规卸压技术的51%。假设以每个钻孔的钻进体积近似代表钻孔施工工作量，则采用“一孔多用”卸压技术时，每百米总钻进量为常规卸压技术的66%，提高了卸压施工效率。

表3 “一孔多用”技术对比

4.3 沿空顺槽跨面超前预卸压技术效果分析

通过在5306 皮带顺槽向5307 工作面沿空顺槽方向超前施工卸压钻孔，并采取爆破断顶措施，降低了5307 轨道顺槽掘进期间的采空区侧向支承压力影响，同时削弱5306 工作面及5307 工作面回采期间初次来压及“见方”影响区域的来压强度，减少5307 轨道顺槽沿空段大直径卸压孔工程量，有效避免沿空顺槽掘进期间的停头卸压影响，达到削弱两个工作面三个阶段冲击危险程度的目的，保证了工作面接续及正常生产。

5307 轨道顺槽进入沿空前完成了预卸压，为5307 轨道顺槽里段掘进留出14 m 的卸压保护带，避免了5307 轨道顺槽在掘进过程中停头卸压，在确保安全的前提下保证掘进效率。在此基础上可优化5307 轨道顺槽里段生产帮大直径卸压孔的参数，减少大直径钻孔施工个数，在保证安全生产的前提下减少了工程量，节省了资金。

4.4 多空间递进式防冲技术体系应用

依据冲击地压模型确定冲击启动集中静载荷源与动载荷源，建立分源监测及综合预警系统，利用两中心、一平台开展防冲大数据研究，形成可靠的多参量耦合预警系统。以综合预警平台四级预警为基础，有针对性采取限产、停产、卸压解危措施，及时消除冲击地压隐患。根据危险等级实施高静载煤体深浅多级卸压、一孔多用卸压技术、坚硬顶板定向断顶及跨面预卸压、底板卸固耦合等解危技术，并采用钻屑法或微震监测法对卸压效果进行检验,确认钻屑法检验煤粉量不超标或微震事件释放能量降低后，方进行采掘作业。