叠加应力场中切眼贯通期间冲击地压综合防治技术

刘 岩 徐 恒 隋 乐

（1.山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿，山东 济宁 272155；2.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266000）

1 掘进工作面概况

阳城煤矿3308 切眼导硐布置在3 煤层，沿煤层底板掘进，巷道埋深850～920 m，埋深较大，切眼倾斜宽150 m（平距），井下实际长度173 m，皮带顺槽掘进到位后沿切眼向上掘进5 m 停止掘进，由切眼向下掘进贯通，如图1。

图1 3308 工作面平面分布示意

根据阳城煤矿地应力实测结果分析，3308 工作面切眼附近区域垂直应力为最小主应力19.7 MPa，最大水平主应力为水平构造应力，约为35.0 MPa。在高地应力叠加构造应力组成的复杂应力场中，切眼巷道贯通具有冲击地压危险，需要进行贯通期间冲击地压综合防治技术研究。

2 切眼贯通期间冲击危险主控因素及诱冲机制

根据3308 工作面贯通区域地质及生产技术条件，分析研究冲击地压的主要影响因素及影响区域，阐明潜在冲击地压发生类型及机理[1-5]。

2.1 埋深影响

随着开采深度的增加，煤层中的自重应力增加，煤岩体中积聚的弹性能也随之增加[6]。3308 工作面煤层埋深840～920 m，整体埋藏较深。掘进贯通期间，工作面切眼的埋深正处于强矿压显现危险指数急剧上升的阶段。

2.2 掘进扰动影响

切眼巷道在掘进过程中会产生扰动应力，在大采深条件下，扰动应力使得原岩应力重新分布[7]，扰动应力与其他冲击危险因素应力叠加后能够使得扰动影响区域煤岩轻易达到冲击时的应力水平。

2.3 煤层冲击倾向性

根据冲击倾向性试验研究结论，煤层顶底板均具有弱冲击倾向性，具有冲击倾向性的煤体易产生应力集中而集聚较多的弹性变形能，在掘进过程中弹性能的释放易发生冲击地压。

2.4 构造应力影响

3308 工作面切眼内地质构造主要为断层，在相变区域（煤岩交界）存在构造应力，和扰动应力叠加后应力集中程度进一步增大，可能发生冲击。设计3308 工作面切眼贯通区域刚好处于皮带顺槽揭露落差约10 m 正断层上盘，断层处岩层的不连续性导致断层本身的不稳定性，在高应力作用下，断层比完整岩层先行运动。随着切眼向下掘进，其掘进头扰动应力影响范围不断向前发展，最终到达断层影响区域，断层本身构造应力与掘进头扰动应力叠加，使断层附近的压力增高，如图2。

图2 超前支承压力与断层构造应力叠加

3 切眼贯通期间冲击地压防治关键技术方案

掘进工作面剩余50 m 贯通范围内，掘进时应力叠加，有可能诱发冲击地压。基于工作面冲击地压影响因素及冲击地压发生机理，研究建立工作面切眼贯通冲击地压防治关键技术方案，保证安全贯通。

3.1 钻屑法监测

钻头直径42 mm，钻屑煤粉量临界值2.56～5.79 kg/m。掘进期间在迎头及迎头后帮部60 m 范围内每天检测一次。

3.2 应力在线监测

3308 皮带顺槽到位停止掘进后，在贯通点安装应力在线测点，监测贯通区域的应力情况。测点间距不大于25 m，深度分别为8 m、14 m，浅孔与深孔间距不大于2 m。应力计初始应力值不得低于6 MPa，不得高于8 MPa，稳压应力值不得低于3.5 MPa。

图3 3308 工作面应力在线布置

3.3 微震监测

3308 工作面掘进过程中及时安装微震检波探头，对新开拓区域进行监测覆盖。在工作面共布置6 个SOS 微震检波器，如图4。

图4 3308 工作面微震测点布置

3.4 加强支护

如图5，在切眼导硐顶板使用全锚索，顶板锚索每排6 棵，采用Φ21.6 mm×7500 mm、Φ21.6 mm×4500 mm 两种规格锚索，间排距800 mm×1600 mm，铺设双重金属网，配合W 钢带提升护表能力；两帮均铺设菱形网，左帮采用4 棵Φ21.6 mm×2500 mm 锚索，间排距900 mm×800 mm，锚索配合W 钢带盘、锚索托盘进行支护。右帮采用Φ20 mm×2200 mm 高强锚杆，锚杆下压锚杆盘，规格150 mm×150 mm×10 mm，锚杆盘下压W 钢带盘，网片采用规格为900 mm×3000 mm的菱形网。

图5 巷道断面支护（mm）

采用单元支架+单体对柱十字梁棚方式支护，单元支架5 m 一组，在切眼下端头皮带顺槽段30 m范围内，5 m 间距安装支架6 台，架单体棚13 架。

3.5 工作面贯通期间卸压措施

皮带顺槽到位停掘后，皮带顺槽生产帮正对切眼位置施工4 个大直径卸压钻孔，孔深不小于30 m，直径150 mm。停掘迎头施工7 个卸压钻孔，孔深20 m。垂直迎头施工3 个卸压钻孔，两侧各布置2个扇形钻孔，扇形钻孔方位角分别为30°、60°。

切眼迎头布置超前卸压孔5 个，垂直迎头布置3 个，在迎头左、中、右侧布置，孔深22 m，并保证不少于12 m 的卸压保护带；布置扇形超前卸压孔2 个，分别偏向两帮45°，孔深20 m。帮部卸压孔间距1.2 m，孔深20 m，孔径150 mm，迎头掘进前后两帮卸压孔滞后迎头均不得大于5 m。

4 冲击危险状态“三场”耦合分析防冲方案优化

通过分阶段定期分析3308 工作面切眼区域震动场、能量场演变规律，结合CT 反演波速应力场，进行冲击危险“三场”耦合分析，分析冲击危险变化规律，对工作面切眼贯通冲击地压监测及防治关键技术进行优化并实施。

4.1 震动场监测分析

根据矿震监测分析，断层切割作用导致煤柱能量释放有所减弱，但附近区域事件数量仍然较为密集，断层煤柱及切眼与皮带顺槽之前的实体煤区域为重点监测区域，巷道掘进扰动能量释放较为活跃，应及时做好卸压工作。随后现场采取迎头施工3 个卸压孔，帮部卸压孔滞后迎头不大于5 m 的强化措施，避免了扰动引起断层活化能量释放，降低了冲击危险性。

4.2 能量场监测分析

如图6，皮带顺槽掘进到位后，冲击变形能密度有所降低，受切眼恢复掘进的影响，切眼与皮带顺槽之间的未掘区域及工作面实体煤区域冲击变形能仍然降低，说明对贯穿区域采取强化贯穿卸压措施后，贯穿区域煤体应力得到了良好释放，具有较好的卸压效果。

图6 掘进期间冲击变形能演化云图

4.3 钻屑法监测分析

钻屑检验结果表明，皮带顺槽掘进及切眼维护期间，钻屑值均未达到临界水平，两巷静载应力相对较低，卸压效果良好，煤岩静载稳定性相对较高。如图7，切眼朝向皮带顺槽掘进贯通期间，钻屑量峰值均处于较小值，说明迎头及煤帮15 m 范围内煤体应力集中程度较低；同时，工作面出现较强矿震时，钻屑数据并未显示异常，动静叠加效应不明显，煤体卸压效果较好。

图7 工作面贯通期间钻屑量曲线图

4.4 主动波CT 反演效果分析

在贯通前，对贯通区域进行了主动波CT 反演，利用地震波射线对工作面的煤岩体进行透视，通过地震波走时和能量衰减的观测，对工作面的煤岩体进行了成像，经分析，采取强化措施有效保证了贯通区域煤体的低应力状态。

5 结论

冲击地压煤巷掘进过程中，特别是掘进工作面将要贯通时，贯通区应力集中分布异常，是防治冲击地压过程中较难预防的时期，严重影响矿井安全生产。通过开展3308 工作面贯通期间冲击危险主控因素及诱冲机制研究，分析出贯通区域冲击危险主控因素，制定了工作面切眼贯通冲击地压监测及防治关键技术方案。在方案实施过程中，通过冲击危险状态“三场”耦合分析研判，进行防冲方案优化，有效保证了工作面贯通区域的煤体低应力状态，实现了安全贯通。该贯通期间冲击地压综合防治技术的成功应用，不但对阳城煤矿安全生产具有重要意义，也为我国同类型冲击地压防治提供了理论依据及现场支撑。