以超前应力分析应用为突破口助力安全高效矿井建设

文/吴 昕

平煤股份四矿作为中国平煤神马集团唯一一家四组九层联合开采矿井，煤层间存在复杂压茬关系，保护煤柱上下重叠布置，两翼多煤层同时开采，导致应力复杂多变、相互叠加，尤其是随着矿井采深增加和服务年限延长，造成矿井布局困难、巷道失修严重和前掘后翻、回采边采边修等一系列问题，给采掘接替、安全生产和矿井达标创建工作带来了严重影响。

近年来，四矿经过深入研究和持续探索，找出了解决上述问题的关键因素，即把应力超前分析作为突破制约安全生产瓶颈的有效手段和达标创建的重要抓手，通过5年多持续不懈的努力，有效破解了深井高地压支护和矿井高应力瓦斯治理难题，有力推动了安全高效矿井建设。目前，四矿巷道失修率逐年降低，年节约巷修资金4000万元以上；在防治突出上，措施针对性更强、效果更好，杜绝了瓦斯事故。

一、抓源头，找准安全生产标准化切入点

1.对高应力认识不足导致支护效果不理想

过去，四矿由于对多层开采互相扰动造成的高异常应力分布认识不足，更多地认为采深增加是高应力产生的主要原因，没有很好解决应力异常和支护之间的矛盾，支护效果不太理想，致使己16-17-23100切眼布置在应力集中区内，支护难度增大，出现过“百日工程”；造成丁戊组石门大巷（大弧板段）及交岔点、戊九进风眼交岔点、三水平上车场、上水平穿层轨道、上水平皮带下上段、主斜井二部等主要巷道破坏严重，采用多种支护方式，都没有很好解决问题。

2．强化应力分析研究，掌握复杂应力分布规律，为巷道设计施工及超前采取措施提供依据

近年来，四矿重新审视技术攻关方向，以应力分析为突破口，在反复研究及实践论证下，查找出引起高应力产生的根本原因，主要是多煤层同时开采遗留煤柱与采掘活动造成应力集中相互叠加，进而导致应力分布异常。四矿在应力分析研究的基础上，掌握了复杂应力分布规律，划分出6种不同应力种类：上覆煤层遗留煤柱造成的应力集中、下覆煤层遗留煤柱造成的应力集中、上覆煤层回采形成的动压区、下覆煤层回采对上层形成的采动应力、本煤层回采形成的动压区、多煤层同时开采形成的叠加应力。

通过研究与掌握遗留煤柱和应力集中区的基本情况，为巷道设计施工以及超前采取措施提供了可靠依据。

一是巷道布置必须有效避开应力集中区，优先布置在应力降低区；无法避开的，优化支护参数、提高支护强度。比如，四矿己15-23130风巷外段350m巷道，压力大、变形严重、支护困难。研究发现该段巷道处于上覆丁组采区三角煤柱区内，形成了遗留煤柱应力集中区。四矿通过系统分析论证煤柱应力影响范围，测算应力集中系数，并依据耦合让均压支护理论，对巷道支护参数进行优化设计，有效提升了该段巷道支护强度，巷道断面收缩率控制在10%以内。目前，四矿在采面回采过程中，遇见断层不再采取跳眼措施，而是直接推进，避免因遗留煤柱引起下部巷道围岩应力集中。

二是存在压茬关系的巷道，避免同时开采造成相互采动影响。比如，根据生产接替计划，该矿己15-23090、戊9-10-21050两个采面将同时回采，但由于两采面存在上下压茬关系，考虑到相互采动应力影响，暂缓了戊9-10-21050的开采。

三是高度关注相邻矿井的采掘布置和开采情况，存在压茬关系的，充分考虑同时开采及上部留设小煤柱造成的应力相互影响。比如，四矿己16-17-21270采面回采期间，与二矿庚组采面回采存在上下压茬关系，因没有及时了解情况和采取措施，造成该采面机风巷支护失效，被迫进行二次返修。鉴于此教训，四矿己15-23090采面与二矿庚20-21140采面存在压茬关系，经过与二矿沟通以及经集团总办室协调，二矿庚20-21140采面暂缓开采。目前，四矿己组工作面穿越一四和四六矿丁戊边界煤柱时，通过超前应力分析、相互沟通协调，加强三探一防和支护措施，消除了突出危险，实现了有效支护，确保了安全生产。四矿通过在应力分析方面的探索与实践，有效解决了相邻矿井因采动影响和遗留煤柱造成的巷道支护难题，为支护工艺优化、巷道合理布置提供了依据、创造了条件。

二、求突破，破解安全生产标准化瓶颈制约

1.探索形成超前应力分析应用科学有效的思路及方法

近年来，四矿把应力超前分析作为矿井技术管理的切入点，以围岩应力分布理论为基础，将应力分析工作贯穿于工程全过程，探索形成了事前预判、事中控制、事后总结的一整套行之有效的超前应力分析应用的思路和方法。

一是在工程设计前，采取现场调查、理论分析、数值计算等方式，对工程区域进行全面应力分析，找出应力集中影响范围及矿压显现规律，作为工程设计和瓦斯治理的依据。

二是在施工过程中，把应力集中区作为工作重点，注重应力监测数据分析，特别是把支护质量和瓦斯超前防治作为关键，为工程施工提供科学指导。

三是在工程施工后，开展应力分析总结，对支护效果、瓦斯防治及施工情况进行回顾，总结成功经验及失误教训，为以后同类工程的设计及施工提供借鉴。

2.应力超前分析应用为矿井安全高效生产提供有力支撑

在超前应力分析这一思路的引领下，四矿选准薄弱环节，加快技术攻关，有效组织实施，有力破解了巷道支护、防突消突、高产高效等方面的瓶颈制约，取得了显著成效。

一是实现了巷道有效支护。通过超前应力分析，四矿科学确定支护形式与支护强度，在支护上实现了“支的住、支的省”。针对丁戊组石门大弧板、三水平上车场、三水平穿层轨道等重要地点围岩流变、破碎破坏状况，采用“三喷二锚二注浆”支围一体化锚注技术，有效解决了高地压永久岩巷支护难题。经过应力预判分析，不仅保证了巷道支护质量，增加了巷道服务年限，减少了巷道重复维修，而且大幅节约了材料投入，如己15-23130机风巷、己15-31020机风巷等工程，累计节约维修费用3500多万元，节约材料费用800多万元。

二是提高了瓦斯防治水平。近年来，在超前应力分析的基础上，四矿在应力集中区采取针对性强化措施，相继开展了高位钻孔穿层抽采、风巷埋管抽采上隅角和采空区瓦斯、顺层钻孔抽采保护层本煤层瓦斯、高抽巷同时抽采保护层和被保护层瓦斯等技术的研究与应用，实现了对瓦斯灾害的有效防治。如针对己15-31040机巷穿越四六矿丁戊组边界煤柱应力集中区，瓦斯突出危险性增大等问题，四矿在应力集中区内加密卸压钻孔，由6米每组增加到3米每组，确保卸压效果，实现超前消突。

三是推动了矿井高产高效。随着巷道一次支护质量的提高，锚网技术的有效广泛应用，以及瓦斯异常突出等一系列问题的解决，矿井生产力得到进一步解放，生产效率大幅提高。如己16-17-23140采面切眼工程，通过超前应力分析，避开应力集中区布置，下分层切眼大断面一次成巷支护成功，相比以前同类工程工期缩短一半，工效提高一倍以上。

总之，四矿以应力分析为突破口，通过持续探索实践，构建形成了一套集现场论证、规律分析、技术应用、参数优化于一体，行之有效的应力分析工作思路，逐步破解了巷道变形严重、支护施工困难、单进水平较低和瓦斯异常动压等瓶颈制约，为深井高地压巷道布置、支护施工和瓦斯治理等方面做出了有益探索，从而助推了安全高效矿井建设。