深部动压条件下密集巷道群冲击地压防治技术研究

刘宏军

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.开滦（集团）有限责任公司，河北省唐山市，063000）

深部动压条件下密集巷道群冲击地压防治技术研究

刘宏军1，2

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.开滦（集团）有限责任公司，河北省唐山市，063000）

以吕家坨煤矿5470Y工作面停采线前方的密集巷道群为例，研究了采动影响下巷道群的应力分布状态，分析了大小煤柱破坏前后的支承应力变化和能量转移方向，得出在采动诱发下密集巷道群自身应力叠加是造成冲击地压的直接原因；并利用截流卸压原理阻断了工作面煤壁前方支承压力和能量向巷道群的传递。通过爆破卸压和钻孔卸压对冲击危险区域进行了解危处理，巷道群卸压后集中应力和能量大大降低。

深部巷道 密集巷道群 冲击地压 动压条件 能量转移 卸压技术

密集巷道群与单一的巷道或硐室相比，具有突发性、瞬时性、应力叠加性等特点，影响巷道群冲击地压的主要因素有开采深度、地质构造、顶板岩层结构、煤岩层冲击倾向性和开采扰动等。在密集巷道群周围进行采掘活动，很容易造成邻近巷道围岩变形、应力集中和能量积聚，不但存在着受采动条件支承压力范围的影响，还受到巷道间煤柱应力相互叠加影响。当煤体内积聚的弹性能超过围岩极限值且得不到有效传递或释放时，就极易造成巷道群及护巷煤柱等煤岩体的冲击破坏，发生冲击危险。因此，研究密集巷道群的围岩变形破坏规律和巷道之间煤柱荷载下的能量转移规律就成为目前深部开采关注的热点课题。本文以吕家坨煤矿5470Y工作面为例，分析其周围开采环境及地质特征，研究块状巷道群煤柱的能量释放规律及高应力危险区域的冲击地压防治措施，对现场具有积极的指导作用，对类似条件下的开采具有借鉴意义。

1　密集巷道群概况

吕家坨煤矿5470Y工作面开采7#煤层，采深761.5～792.9 m，平均777.2m，属深部开采煤层，该煤层含夹石平均厚度约3.52 m，属复杂结构中厚煤层；工作面顶板依次由1.2 m厚的粉砂岩和5.6 m的细粉砂岩组成，底板为1.95 m的粉砂质泥岩。

5470Y工作面推采前方有一密集巷道群，其范围沿5478Y工作面和5470Y工作面推进方向停采线以外、F4断层以西、-800西大巷以南所包含的为工作面服务的煤柱巷道区，如图1所示。该巷道群区域共有10个大小不等的煤柱，总面积约为2×104m2。

图1　密集巷道群分布示意图

图1显示，密集巷道群由多个小煤柱连通而成，巷道之间煤体容易产生支承压力叠加及能量积聚，为煤柱型冲击地压的发生提供了条件。根据吕家坨矿历史记录，图中Ⅰ煤柱面积为1392 m2，于2008年12月14日发生过一次冲击地压；Ⅱ煤柱面积为1062 m2，于2010年3月9日发生过一次冲击地压；Ⅲ煤柱面积为1078 m2，于2011年10月21日发生过一次冲击地压，3次冲击地压均造成了不同程度的破坏，严重影响了工作面的安全生产，因此要对密集巷道群进行围岩应力分析并采取有效的解危措施。

2　动压条件下密集巷道群冲击地压解危机理分析

2.1动压条件下密集巷道群应力状态分析

密集巷道群是指由巷道连通起来的为工作面服务的多个煤柱巷道区域。随着工作面回采的结束，采空区周围岩层承受的压力和应力变化特征极其复杂，由于上覆岩层垮落程度不一致，导致大部分顶板处于悬空状态，而悬空岩层要保持自身的稳定性和平衡状态，就要将应力转移到工作面前方和采空区周围的煤岩体上。从文中所述条件分析可知，5470Y工作面的采空区将逐渐成为应力降低区，而在护巷煤柱或周围的密集巷道群形成应力增高区和能量积聚区。密集巷道群卸压前后能量转移及应力分布状态见图2。

图2　密集巷道群卸压前后能量转移及应力分布状态

如图2（a）所示，随着5470Y工作面的回采越来越靠近停采线和密集巷道群，其产生的扰动应力场对巷道群影响也会越来越明显。Ⅰ、Ⅱ煤柱和5470Y工作面之间的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ煤柱更容易受到应力叠加和采动的影响，产生冲击地压的可能性较高。Ⅳ煤柱为小煤柱（宽度≤10 m），在巷道开挖后形成单峰式的侧向支承压力，应力较高；Ⅲ、Ⅴ煤柱为大煤柱（宽度≥30 m），在开挖后则会形成马鞍形应力分布，说明煤柱内存在稳定区并能承载大部分载荷，但容易受工作面回采后大面积悬空岩梁的扰动应力场影响。

巷道群在左侧工作面采动应力和右侧顶板岩层断裂能量转移的应力叠加影响下，巷道中间的煤体结构发生了变化。煤柱由原来的弹性状态逐渐向塑性状态转变，在煤柱边缘形成塑性区，煤柱深部在支承压力作用下形成软层结构，支承压力峰值增大，能量逐渐向中间小煤柱Ⅳ转移。煤柱Ⅳ受到两侧煤柱Ⅲ、Ⅴ应力叠加作用，当应力达到煤柱Ⅳ的极限支承应力时，就会发生失稳，诱发冲击地压。

根据煤柱应力叠加作用和能量转移方向，在煤柱一定位置上转移或消除能量源，对Ⅲ、Ⅴ和Ⅳ煤柱进行爆破、大直径钻孔等卸压措施，释放能量源。最终达到能量有序缓慢释放，降低或消除产生冲击地压的能量。采用爆破卸压、大直径钻孔卸压后的密集巷道群能量转移方向及应力场分布状态如图2（b）所示。

采取卸压措施后，煤壁边缘出现塑性区，支承压力峰值大小下降，大煤柱峰值位置远离煤壁并逐步向煤体深部转移，密集巷道群区域集聚的弹性变形能得到了有效释放或转移。

2.2采动条件下密集巷道截流卸压原理

在回采过程中，随着5470Y工作面的推采逐渐接近停采线和密集巷道群，采动产生的扰动应力场对巷道群的影响也愈加明显。由于煤壁前方支承压力不断前移，为了阻止支承压力峰值传递到密集巷道群区域，提前在工作面停采后的超前支承压力峰值范围内进行应力和能量截流，阻断应力和能量传递，达到保护巷道的目的。

图3　截流前后超前工作面应力分布状态

图3所示是动压条件下截流前后工作面超前应力分布图，未进行动压截流技术前，工作面超前支承压力峰值高、应力集中程度大，积聚能量多，易诱发密集巷道群发生冲击地压；采用动压截流技术，在距工作面煤壁前方16 m（超前支承压力峰值）前后实施钻孔爆破，钻孔数据如图3所示，爆破后煤体承载能力降低、峰值应力下降、影响范围扩大，促使了能量缓慢有序释放、有效阻隔了应力对密集巷道群区域的影响，从而避免因工作面推采产生的扰动诱发密集巷道群区域发生冲击地压。

3　密集巷道群冲击地压防治技术

根据上述密集巷道群冲击地压解危机理分析，利用爆破卸压和大直径钻孔对密集巷道群周围的煤体进行卸压处理，防止应力集中和能量积聚，解除冲击地压危险。

3.1爆破卸压

爆破卸压是用钻孔爆破的方法减缓上覆岩层集中应力的一种解危措施。爆破卸压在煤体内部爆破，爆破冲击波使煤体产生大量裂隙，导致煤体的弹性模量减小，积聚的弹性能减少，达到释放能量的目的。将钻孔布置在服务巷道群煤炮密集区域、5470Y工作面停采线附近轨道巷两侧的煤体内、密集巷道交叉区域等，如图1所示的A、B、C、D、E区域。钻孔卸压爆破的钻孔深度7 m，孔径42 mm，钻孔间距5 m，钻孔斜向上3°～5°，钻孔距离底板1.2 m，装药长度为孔深的1/3，如图4（a）所示。

图4　卸压示意图

3.2大直径钻孔卸压

大直径钻孔卸压是利用钻机在煤体内打大直径钻孔，在高应力作用下使煤层中积聚的弹性能释放破坏钻孔周围的煤体，每个钻孔周围形成一定范围的破碎区，互相连通后便能使煤体破裂，释放积聚的能量，降低冲击地压危险。将大直径钻孔布置在工作面停采线附近的煤体及巷道之间的F区域煤柱内（见图1），距5470Y轨道巷12 m处布置第一个大直径钻孔，然后沿运输联络巷向上依次布置26个，钻孔间距0.5～1.0 m，钻孔孔径90 mm，钻孔深度8 m，钻孔距离底板1.2 m，仰角1°～3°，如图4（b）所示。

3.3地压防治效果

通过钻屑法对密集巷道危险区域进行冲击地压效果检验，比较卸压前后煤粉钻屑量，在密集巷道群布置6个钻孔进行检测，钻孔直径42 mm，钻孔深度7 m，距底板1.2 m。用塑料袋收集钻出的煤粉，用弹簧秤称量煤粉的重量，每钻进1 m测量1次钻屑量。钻孔具体位置如图5所示。

图5　钻屑法检测钻孔位置图

卸压前后钻屑法监测煤粉量对比结果见图6。卸压前6个钻孔的钻屑量基本处于3～4 kg/m，如图6（a）所示，是由于监测区域内煤体应力较大，支承压力集中度高，在工作面采掘活动的扰动下，应力峰值和能量均向巷道煤柱内转移，造成大小煤柱的应力集中和能量积聚，冲击危险性大。由图6（b）可知，卸压后钻屑法监测钻孔的最大值均低于临界值3.5 kg/m，和卸压前相比大大减小，说明卸压获得了很好的效果，爆破卸压和钻孔卸压起到了应力和能量的转移和截流作用，消除了密集巷道群的冲击地压危险。

图6　卸压前后钻屑法监测煤粉量对比

4　结论

（1）在动压条件下对密集巷道群冲击地压发生机理进行了研究，分析了工作面前方巷道群的应力分布状态，并根据煤柱应力叠加和能量转移方向进行卸压处理，转移和消除了冲击能量源。

（2）采用了动压截流技术，阻断了应力和能量向工作面前方密集巷道群的传递，避免了由工作面采动诱发巷道群冲击地压的发生。

（3）采用爆破卸压和大直径钻孔卸压技术对危险区域煤体进行解危处理，并通过钻屑法检验了卸压效果，消除了冲击地压的危险性。

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（责任编辑 张毅玲）

★ 煤炭科技·开拓与开采★

Research on control technique of rock burst in serried roadway groups under deep mining pressure

Liu Hongjun
（1.Faculty of Resources&Safety Engineering，China University of Mining&Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Kailuan Group Co.，Ltd.，Tangshan，Hebei 063000，China）

Taking the serried roadway groups in front of the stopping line of No.5470Y working face in Lvjiatuo Coal Mine as the research example，the stress distribution in roadway groups under the influence of coal mining was studied，and the variation of support stress and the directions of energy transfer before and after the big and small coal pillar failure were analyzed. The results showed that the stress superposition of roadway groups influenced by mining was the main reason of rock burst.The support stress and energy in front of coal wall were prevented transmiting to roadway groups using the diversion closure and pressure relief principle.The pressure relief methods of blasting and drilling were applied in the danger zone of rock burst，which decreased greatly the concentrated stress and energy.

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TD353

A

刘宏军（1964-），男，河北滦南人，正高级工程师，博士，开滦集团副总工程师。