多因素耦合下冲击地压巷道贯通研究与实践

王建坤 梁东辉 李亚威

（济宁市金桥煤矿，山东 济宁 272200）

为加快巷道掘进速度，保证巷道按时投入使用，井工煤矿常布置两个掘进迎头相向掘进，然后选择合适位置进行贯通，贯通时受多因素耦合影响，巷道围岩应力叠加[1]，容易发生巷道失稳，若煤层本身具有冲击倾向性，极易发生冲击地压。

本文针对金桥煤矿1304轨道顺槽贯通实际，从最大主应力、上覆岩层等方面对巷道贯通期间围岩稳定性进行研究，准确评估贯通期间危险性，超前采取针对性措施，确保1304轨道顺槽安全顺利贯通。

1 1304轨道顺槽概况

金桥煤矿1304轨道顺槽贯通区域标高为-400～-440m， 埋 深 为 436.5～450.2m， 平 均 埋 深 为456.9m。1304轨道顺槽西侧为1316上工作面采空区，两工作面间区段煤柱宽度约为6m，1304轨道顺槽位于上分层遗留36m煤柱下，巷道贯通点位于冲刷带内。如图1所示。

图1 1304轨道顺槽贯通位置平面图

2 贯通区域巷道稳定性研究

2.1 地应力对贯通区域影响

根据金桥煤矿地应力测试报告，金桥煤矿原岩应力场的第一主应力为水平应力，其值大小为15.34～15.73MPa，方位角为 100.8° ～109.6°。水平应力对巷道围岩变形与稳定性的作用如图2所示。当巷道轴线与最大水平主应力平行，巷道受水平应力的影响最小，有利于顶底板稳定；当巷道轴线与最大水平主应力垂直，巷道受水平应力的影响最大，顶底板稳定性最差；当两者呈一定夹角时，巷道一侧会出现水平应力集中，顶底板的变形与破坏会偏向巷道的某一帮。

1304轨道顺槽设计方位角为8°，轨顺与第一主应力方向夹角在92.8°～101.6°之间，轨顺掘进方向与最大水平应力方向近垂直，最大水平应力对巷道影响较大，容易应力集中。轨顺贯通期间，围岩体受围岩水平应力集中叠加影响，巷间围岩破坏自表面向其中部延伸，贯通将导致巷间围岩承载能力近乎丧失，造成巷道围岩承载结构失稳[2]，容易发生冒顶、底鼓等现象。如图3所示。

图2 水平应力方向与巷道变形

图3 巷道掘进时应力分布情况

2.2 上覆岩层对贯通区域影响

金桥煤矿一采区3煤层埋藏深度在450m左右，煤层中的自重应力随着开采深度的增加而增加，煤岩体中积聚的弹性能也随之增加[3]，根据经验公式α=γH式中，α为上覆岩层重力密度（一般取2.5MPa每100m），H为煤层的开采深度。

将金桥煤矿相关数值带入计算得出，煤层开采深度450m，在无采动影响的情况下煤层上覆岩层的自重应力为11.25MPa。根据3#煤冲击倾向性鉴定结果，3#煤层单轴抗压强度范围在4.62～11.70MPa之间，平均7.63MPa。工作面煤层上覆岩层自重应力是煤层的单项抗压强度的1.47倍，其自重应力已接近中等冲击危险，上覆岩层对巷道贯通有一定的影响。

2.3 上分层遗留煤柱对贯通区域影响

1304轨道顺槽与1304上采空区之间煤柱为36m，掘进期间在帮部开展大直径钻孔预卸压工作，卸压孔深度为26m，卸压孔间距根据公式（1）确定。卸压孔间距布置原则为卸压孔周围的卸压区相互贯通，形成弱化带。

式中：

D-卸压钻孔间距，m；

k-卸压钻孔间距的危险性修正系数，与钻孔排粉有关。排粉质量比b=m'/m，m'为单个卸压钻孔单位长度实际排粉质量，m为单个卸压钻孔单位长度计算排粉量。对于弱冲击危险区1.5≤b＜2，k=18.84；中等冲击危险区2≤b≤3，k=12.56；强冲击危险区b＞3，k=6.28；

d-卸压钻孔施工钻头直径，m，

K-变形模量指数，K=λ/E；

λ-应力应变曲线峰值后软化模量，MPa；

E-应力应变曲线峰值前弹性模量，MPa。

根据金桥煤矿实际，结合经验值，K取0.4，1304轨道顺槽为中等冲击危险区，k取12.56，d为0.11m，带入公式（1），可得出D=2.58m，根据经验类比法调整，最终确定卸压孔间距D取3m。

掘进期间在36m遗留煤柱侧按照间距3m、孔深26m布置预卸压钻孔，相当于36m煤柱外侧26m人为形成塑性变形区，最里侧5m煤柱临近1304上采空区，已发生塑性变形，真正弹性能积聚区为27～31m段5m煤柱[4]，外侧26m煤柱应力集中程度相对较低，1304轨道顺槽贯通期间外侧26m煤柱积聚能量较低，提高了巷道贯通期间的安全性。

3 1304轨道顺槽贯通超前措施

根据上述分析，1304轨道顺槽贯通期间主要受地应力、上覆岩层自重影响，通过对遗留煤柱采取预卸压措施，大大降低了对巷道贯通的影响，在强支护、强监测的前提下，重点需做好强卸压工作，确保贯通点位于卸压保护带内。

1304轨道顺槽在帮部施工预卸压孔的基础上，结合现场实际，距贯通50m时，在两侧迎头超前施工大直径钻孔，每个迎头施工3个钻孔，呈“三花”布置[5]，孔深为25m，将50m贯通煤柱打穿，降低弹性能积聚，从而降低冲击危险性。如图4所示。

4 结语

通过对1304轨道顺槽贯通期间巷道围岩稳定性研究，采取有效的帮部、迎头预卸压措施，确保1304轨道顺槽安全贯通。通过对1304轨道顺槽贯通总结，可得出如下结论：

（1）最大水平主应力方向与巷道掘进方向呈一定夹角时，容易出现应力集中现象，巷道布置应尽量做到与最大水平主应力方向一致，从源头降低最大水平应力对巷道贯通的不利影响。

图4 1304轨道顺槽迎头卸压孔“三花”布置图

（2）金桥煤矿3煤单轴抗压强度在7.63MPa左右，远低于上覆岩层自重应力的11.25MPa，因此上覆岩层自重应力对巷道贯通有一定的影响。

（3）通过对金桥煤矿卸压孔间距计算，金桥煤矿卸压孔间距为3m时，卸压区相互贯通，可形成有效的弱化带。

（4）在距贯通50m时，通过在两侧迎头“三花”布置预卸压孔，可有效降低两迎头间50m煤柱应力集中程度，起到较好的预卸压效果。